织田与德川结盟后，东向无忧，全力西进。先灭美浓（岐阜县）的斋藤氏，又在姊川的合战中一举平荡越前（福井县）的朝仓氏和近江（滋贺县）的浅井氏。在姊川合战中，家康也出兵增援信长，为信长方的取胜起了关键作用。
信长终得以进入京都，著手于天下统一的工作。在一旁眼看著的信玄沉不住气了，信玄至今仍有北面的上衫谦信、南面的北条氏康两大劲敌未除，难于直上京都，可他已忍耐不住，对于上洛一事已跃跃欲试。信玄，五十二岁，其兵精锐无比，兵法军略无出其右者。
“甲州军（武田军）来了！”但闻此言，多不战而逃。故其锋所指，当者披靡。就是这样的军队，不多日便攻陷了德川家的二俣城。
闻得信玄入侵三河的消息，织田信长也为之一震，派了三千人增援，并劝家康：“滨松已似悬卵，避冈崎为上。”
家康全然不惧。而立之年正值血气方刚，总想著和信玄较量一番。可信玄毕竟是信玄，他并未攻击滨松城，而是率领三万大军径向京都方向而去。
家康被激怒了：“是可忍，孰不可忍！我德川军不值一战么？”乃倾城而出，阵列滨松之北三方原，只待甲州军来。
元龟三（一五七二）年十二月二十二日，信玄渡过天龙川，向三方原而来。黄昏已过，寒云密布，朔风陡劲，飞雪满天。信玄本不欲与战，可经不住部下的请求：“德川军只有我军约三分之一的人数，并且在开战前已经畏惧了，突然开战的话，定能打个措手不及。”终于摆开阵形预备一战。
尽管甲州军漫山遍野，可德川军毫无畏惧，勇气满溢。
钟鼓响处，武田军士气如虹，黑压压的一片奔袭而来。甲州军无愧精锐之师，德川军右翼先溃，那是织田家的三千援军。后左翼亦溃，终于中军不免。本多忠真等名将战死，德川全军败退。
“难道我气数已尽了吗？”家康也作好了痛痛快快死的准备。可家臣夏目正吉怒睁双目道：“急著死的只是微不足道的下级武士而已，作为一军的总帅应活下去，考虑以后的防备之事才是！”话未说完，用枪在家康的坐骑上用力一拍，战马嘶叫著向滨松方向跑去。
夏目正吉目送家康离开极度危险之后，冲入来势汹汹的敌军中，最后战死。
家康亡命地逃回了滨松城，守城的鸟居元忠打算关上门，家康说：“把门打开，我军的败兵回来的话，必须让他们进城。”
元忠担心地说道：“可要是敌人跟著攻来的话呢？”
“不！紧闭大门只会助长敌人的气势。大开门户，里里外外都给我点满火把。”家康命令道。然后这才走进内室，吩咐下人：“啊！我肚子饿了，把饭菜给我拿来。”
侍女们端来了热泡饭，家康连吃了三大碗。
“啊！困了，困了。”一边说著，家康躺倒下来，不一会儿便鼾声大作地熟睡起来。
“这是打了败仗回来的大将吗？”
“敌人马上就要攻过来了，真是胆大啊！”家臣们愕然。有人完全信赖，也有人担心不已。
果然武田军追到了滨松城下。城里城外门户大开火炬通明，照得如白天一般亮堂堂。
涌来的武田军惊疑不定：“其中有诈，或许是敌人的计略也说不定。”
“莽撞地闯进去，不知道会中什么埋伏呢！”武田军退缩不前，后来就这样回到了信玄的本阵。
信玄听了回报说：“家康是个强大的敌人哪！调查三方原敌人的尸体可以得知，他们都是面对著甲州军的方向倒下的。有这样勇敢的家臣们，家康真是有福之人啊！幸好你们没有攻打滨松，那可不是一座容易攻下的城。在你们磨磨蹭蹭的时候，织田信长的援军来的话就不好办了。此外要是上衫谦信乘这个机会打过来，乱子可就大了。滨松就让它去吧！”
信玄为人既富有智谋，又精通战略，他的兵法后来被称为“甲州流军学”，在武家间被广为尊崇。与上衫谦信之间的川中岛合战也相当有名。此外，他是个思虑很深的人，总是说：“战斗不可能全胜，心里稍有松懈，就可能成了败仗的致命原因，打仗嘛，只要胜了六成就是最好的了。”信玄自十六岁起到五十三岁，屡战屡胜，从无败绩。治国方面，信玄也政绩颇多，后来家康均参考了他的行事方法。
信玄在三方原之战后，在刑部（地名）迎来了新年，可他在那里染上了病，一度撤回甲府，最后在信州驹场（现在的长野县下伊那郡阿智村）与世长辞。武田家一直把信玄的死，列为极大的秘密，三年没有外泄，而其他的大名即使听到了信玄已死的消息，也依旧感到武田军的可怕。
信玄死后的第六年，他的宿敌上衫谦信也病死了，此外，小田原的北条氏康也在信玄之前就死了。
这三个人，无论哪位都是稀世难遇的名将，可因为天意捉弄，偏偏被置于毗邻，相互牵制，无法取得天下，这对于信长和家康来说，真是莫大的幸运吧！