冈重朝各自引军迎上，双方展开激战。原、高城二将终因不敌而败退。此时，安房里见众也将部队投入战场。

情况愈加危急。本丸内的守将相继从城内杀出，转入到二丸的战场上：酒井胤敏、平山正左卫门为第二阵，与太田资正、梁田晴助军交锋；松田康乡、佐久间主水佐为第三阵，与结城晴朝、水谷胜俊军交战。随后，上杉军第二阵本庄繁长也加入战斗。松田康乡使用长刀和铁棒，杀死大量沼田众武士与上杉家骑兵，但终因精疲力竭而败退。会日暮，因天降大雨，久未停歇，两军各自罢阵。

之后，臼井城守军顽强抗战，不断用长枪突刺敌兵，由于勇而能战，越人有所畏惧，知臼井难下。自三月九日至四月二十日，上杉军又陆续发动多轮进攻，却始终未能将臼井城攻陷。但臼井城已被打到只剩下一重城堀的地步，落城在即，臼井城岌岌可

四月二十三日，长尾军众发动总攻。开始前，部将海野隼人劝告政虎，说日子不吉利，不建议进攻，眼看就要打下该城，怎能放弃

长尾景长带队先行，破坏埋在壕沟内的障碍物逆茂物，越过壕沟，击破了挡在前面的守军二百多人，进逼臼井城本丸。就在这时，掩护臼井城本丸的城堀突然崩裂，压死三百多联军兵众，进而导致上杉军士气大崩，纷纷后退。臼井城城主原胤贞、大将松田康乡、原大藏丞、高城胤丞等乘机杀出城外。

与此同时，千叶氏当主千叶胤富率领援兵抵达战场，接过全军指挥权，并在其主导之下展开反击。长尾军第三阵房总里见众、上总东金酒井氏从东南侧移兵迎战千叶胤富，但因对方攻势猛烈而未能支撑下去，率先逃离战场。其中，里见一共出兵五百人，战死三百。

两天后的四月二十五日，上杉全军开始撤离臼井城战场。松田康乡、原大藏丞率四五百人追击上杉军，与辉虎所领的本阵队激战并大破其军，迫使辉虎向北败逃。但随后，在上杉军殿后的北条高广、新发田治长从西侧迂回反击，突袭追兵左翼，松田、原二部败退。不久，原胤贞、高城胤辰率军杀出城外支援，击破其殿后部队。酒井胤敏、白井入道等将领亦率军出城追杀，一路大斩联军各队，杀至上野北境方才收兵。上杉联军全线，景虎收拾军势准备撤回越后。

突然大将本庄繁长来报，武田信玄已于五日前带兵突袭了北信浓，北信浓全线溃败，武田家军队已经进入越后离春日山城仅50里，而越后刈羽郡北条城主北条高广在武田信玄的煽动下自立。回撤越后的路全断了，现在只能走芦名家的岩代国回去了。