这一晚的交谈改变了武田正信对织田信长的看法，他很佩服织田信长，他是真的想要天下和平。他忽然觉得，本能寺要不要救他一下。
不过还得和本多正信去商量商量，到底要不要接受织田信长的条件。毕竟在织田信长嘴里，征夷大将军的权力被限制了许多。
第二天午后，织田信长在冈崎城召开作战会议，详细说明各部队的部署位置。将决战战场定于设乐原。
此时，鸟居胜商到达冈崎城，织田信长告诉他，两日之后大军就将与武田军展开决战。喻其回城传命奥平贞昌持续坚守。
十七日黎明前，织田信长、德川家康，武田正信联军四万三千人从冈崎城出发。
夜间，联军克牛久保城。穴山信君部下捕获鸟居胜商。武田胜赖叫他告诉长篠城守军援军不会到达，可不料鸟居胜商到达城下后大叫“织田信长大军五万两三日后便回到达。”武田胜赖令士兵将鸟居胜商处以磔刑。
十八日，联军进入野田城。武田胜赖命以箭射书入长筱城劝开城。
十九日，联军抵设乐原。德川家康军于高松山、织田信长军于极乐寺山构阵，并修筑防御工事。
织田信长方（三万人），武田正信方五千人。极乐寺山（本阵），织田信长、柴田胜家和武田正信。
天神山，织田信忠、河尻秀隆。
御堂山，北畠信雄、稻叶一铁。
茶麿山，佐久间信盛、池田信辉、丹羽长秀、泷川一益。
极乐寺山以东，水野信元、安藤范俊、蒲生氏乡、森长可、羽柴秀吉、不破光治及其他大和、河内、摄津等豪族。
德川家康方八千人，弹正山德川家康。
松尾山，德川信康、德川家茂。
弹正山东，大久保忠世、本多忠胜、榊原康政、石川数正、平岩亲吉、酒井忠次、鸟居元忠、内藤家长。
二十日，武田胜赖将家族大将集合在医王寺山举行军议。甲斐武田老臣派与信浓新贵派在会上发生激烈争吵，双方甚至几次想要拔刀在武田胜赖面前斗殴。
不过最后武田胜赖还是不顾老臣派反对，坚持与织田信长决战。
深夜天突降暴雨。武田胜赖认为梅雨季节的雨会持续很多天，在这种天气情况下进攻会抵消联军铁炮优势。于是致书甲斐留守长阪钓闲斋，颇为自信地述说自己必将一战大破织田信长。
二十一日，清晨，联军完成防御工事的修筑工作。武田军撤围。除了在鸢巢山留兵两千人之外，其余一万三千冒雨赶赴设乐原布阵，与联军对峙。
武田胜赖方布阵右翼队（浅木附近），穴山信君、马场信房、真田信纲、真田昌辉、土屋昌次、一条信龙，三千以上。
中央队（清井田附近），武田信廉、内藤昌丰、安中景繁、其他西上野众，三千以上。
左翼队（清井田南方高地），武田信丰、山县昌景、小笠原信岭、松冈右京、菅沼定直、小山田信茂、迹部胜资、甘利信康、小幡信贞、小幡信秀，三千以上。
总预备队（天王山），武田胜赖、望月信雄、武田信友、武田信光，三千以上。
长篠城留守（鸢巢山砦等地），武田信实、小山田昌行、高坂昌澄、室贺信俊，约两千人。
夜间，织田信长为诱使武田胜赖进攻，指示佐久间信盛诈降武田，然而德川家臣酒井忠次提出夜袭鸢巢山砦，断其退路的计划。织田信长予以准许。
二十二日，天未明时，德川方酒井忠次、松平伊忠等率领三千人袭击军绕道向鸢巢山进发。清晨，大雨骤停。设乐原在两天的大雨中早已是一片泥泞。
卯时（六点），鸢巢山砦遭袭。同时，武田胜赖排出鹤翼阵向联军发动进攻，一番手为山县昌景。七点半前后，松平家忠、天野惣次郎、户田半平攻破鸢巢山砦，讨死武田兵库助信实。
小山田昌行、高坂昌澄展开反击，一度获胜，并杀死松平伊忠。无奈后方有海村防线被酒井忠次突破，武田杂兵开始溃逃，高坂昌澄在混乱中战死。长篠城留守队全军覆没。酒井忠次入长篠城，升起标志胜利的狼烟。
九时，山县昌景在突击大久保忠世队九次都未果之后转向德川军侧翼，武田二番手武田信廉上阵。
九点四十前后，三番手小幡信贞队五百骑立于织田信长阵线正中，作势要中央突破。四番手武田信丰与小幡信贞会合，内藤昌丰队、真田信纲队、真田昌辉队、原昌胤队则向联军阵地左右翼提前展开攻击。
十时，五番手马场信房从右翼发动进攻，土屋右卫门尉昌次、一条右卫门大夫信龙、穴山陆奥守信君诸队紧随其后。内藤昌丰队一千人突破泷川一益四千人的防线。见泷川一益军溃不成军地后撤，织田信长派出柴田修理亮胜家、不破光治与山冈景隆三队作为接应。
武田信廉队破坏联军中央第一道防马栅栏，但是在第二道防马栅前受阻。
十一时，马场信房队七百人以四十人的代价突破佐久间信盛队六千的防线。织田信长派丹羽五郎左卫门长秀队、羽柴筑前守秀吉队围杀马场信房。
十二时，山县昌景带领小山田信茂队突击柴田、丹羽、羽柴三队，解内藤昌丰、马场信房之危。柴田、丹羽、羽柴队均不能敌，败走。
十二点二十前后，山县昌景军对德川家康本阵展开进攻。此时山县昌景赤备仅余三百人。
午后一点，见织田信长兵力分散，小幡信贞五百骑与武田信丰队一前一后向织田军中央阵地展开进攻，小幡信贞队势如破竹，沿武田信廉队路线连破两道防马栅栏，杀入织田信长本阵。
织田信长和武田正信大惊，武田正信连忙喊道：“胜猛，砍下前方敌将头颅！今日在这长筱让天下所有人知道你的威名！”
岛胜猛向前一步大喊：“岛胜猛在此，勿伤我主！”