砥石城是一座山城，构筑在东太郎山麓之上，往南能鸟瞰上田原，东北即是真田乡，东南能进入佐久郡，西南是千曲川与神川的交汇点，可谓扼守四面八方的真正要害之地。
除去地理位置上的一夫当关万夫莫开之外，砥石城本身也是一座坚固的城池。其实砥石城只是核心城池，其四周还有枡形城（北部）、米山城（西南部）与砥石城（南部），构成了层层护卫、环环相扣的城池群，因为此战武田军是由南而北攻击的，所以主要的战事还是发生在了砥石城。
但不知为何，武田晴信在望着周边的千曲川和上田原后又开始有些犹豫起来。一方面武田晴信也想趁着此番大胜一举将小县郡、埴科郡等北信浓诸郡收入囊中，另一方面又开始担忧麾下疲惫不堪的军势是否能继续连战连捷。就这样，武田晴信在砥石城下虚度了六天时间。
由于武田晴信的犹豫不决，给了在砥石城内驻守的村上家重臣乐岩寺雅方、布下仁兵卫等人足够的时间做好了笼城死守的准备。在他们的严防死守之下，师老兵疲的武田军久攻不下。
这时，山本勘助已经意识到长期的攻城战将会让武田军陷入不利的境地，便立即向武田晴信进言应当退兵返回甲府。
“御馆大人，我军已经接连攻打砥石城近半个月，若是继续屯兵于坚城之下并非取胜之道啊！”山本勘助一瘸一拐的走到武田晴信面前进谏道。
“堪助，本家也知晓，若是不将砥石城攻落，那么村上周防守仍然会趁着我军返回甲府之际率军南下攻入佐久郡，皆是还会有不少国人领主、地头武士倒向村上家，使得本家出阵佐久郡徒劳无功。”武田晴信不甘心的说道。
“我军接连在筑摩郡、佐久郡等地取得大胜，应该慎重行动以保持我军的军威。眼下我军并没有完全掌握村上周防守的动向，若是村上周防守率军与砥石城的城兵里应外合的话，我军危矣！”山本勘助最担心的就是距离砥石城不远处葛尾城城内的村上义清。
“经过田口城一战后，村上家已经损兵折将，村上周防守必然不会轻易率军前来，就算他率军前来救援砥石城，本家布置在上田原一带的物见也会探知，我军完全可以从容应对，堪助不必过于担忧。”武田晴信漫不经心的说道。
“那臣就先去查看一下砥石城有无破绽可以利用。”山本勘助见武田晴信铁了心要继续围攻砥石城后只好借故离开了。
然而很快山本勘助的担忧变成了现实。村上义清在葛尾城蛰伏了近半个月之久，见时机已经成熟，立即率军从葛尾城出阵前去攻打正在围攻的砥石城的武田军。
还没等武田军派出的物见返回本阵汇报村上军来袭的消息，村上军的兵锋便已经直指武田晴信的本阵所在地。与此同时，砥石城城内的村上家守军也在乐岩寺雅方、布下仁兵卫等人的率领下从城中杀出，里应外合，内外夹击武田军，使得进退失据的武田军大败溃散。
武田晴信败走溃逃，结果却被村上义清疯狂追击。幸好有小山田信有率麾下郡内众中的小泽式部、渡边伊豆守（渡边出云守）等人担任殿军进行拼死抵抗一天一夜，以自己的生命换取了武田晴信逃回甲斐的时间，这次让武田晴信好不容易捡回了一条命。
武田家有力武将自小山田信有、小山田弥三郎（小山田信有长子）、横田高松、小泽式部、渡边伊豆守等人以下被村上军讨取了一千余人，可谓是伤亡惨重。
这是自上田原之战后，武田晴信在自己的人生之中第二次惨败给村上义清。