永禄九年二月底，辉虎移阵至上野馆林城，大会关东诸侯，总兵力约一万余人，往下总小金城进军。

永禄九年三月二日，上杉联军攻打下总高城胤辰的小金城，但是失败。之后上杉联军往原胤贞所在的臼井城进军。

永禄九年三月初，原胤贞的属将高城胤辰（北条方）、原氏的家主千叶胤富（北条方）、北条氏康与北条氏政父子、古河公方足利义氏（北条方）分别向臼井城派来援军。伊豆河津城的荫山新四郎（北条方）与骏河用宗城城主一宫随波斋（今川氏真所遣援兵）也为救援臼井城而往下总进发（荫山新四郎、骏河今川援军到达臼井城的具体时间不明）。

永禄九年三月九日，上杉联军进抵臼井城下，开始攻城，揭开臼井城之战序幕。

第一阵：高城胤辰、原大藏丞（皆为原胤贞部将）

第二阵：酒井胤敏、平山正左卫门（皆为东金酒井氏一族）

第三阵：松田康乡（北条部将）、佐久间主水佐（原氏部将）

二之丸守军：椎津次郎、椎名兵库

本丸总大将：原胤贞（城主）、白井入道（实际指挥）

后到援军：千叶胤富（三月二十三日到达战场，接过指挥权）

预定援军：北条氏康、北条氏政（计划出发，但没有成行）

作用不明：相马内膳亮（古河公方）、一宫随波斎（今川）

先阵：结城晴朝、水谷胜俊

先阵：太田资正、梁田晴助

先阵：长尾景长、富冈重朝

先阵：下平右近允、广居又五郎

二阵：本庄繁长

三阵：房州里见众、上总东金酒井氏

佐仓城攻击队：那须资胤、宇都宫广纲

上杉军实际部署不明，即便是先阵也存在四种截然不同的说法。有关二阵是本庄繁长的说法也未必对，从确凿文书史料看，本庄繁长只有在永禄四年第四次川中岛之战跟随上杉辉虎出战，其余多是近世战记物附会。至于说上杉联军主力进攻臼井城同时，派那须资胤、宇都宫广纲攻击附近的佐仓城，此说法也不对。那须资胤在永禄九年时已经不归附越后上杉，且当时出兵的军役帐里也没有他的名字。

其实攻城期间的具体战术经过已无从考证，以下仅为学界根据《武家事纪》的考证方法来还原的。

三月九日，上杉联军开始攻城。但是臼井城的天然城防非常坚固，它是一座山城，两面都是山崖，背靠印幡沼，从正面进攻就只有一条极其狭窄的小路。守城方可以利用天然的地理条件，从上面抛掷落石、射箭，阻挠上杉联军的行军。臼井城本身由本丸、二丸、三丸构成，守军放弃最为空旷、活动空间最大的三丸，只在此设置一些栅栏，此外还有一些外堀掩护。臼井城守军最前线的是镇守在二丸的椎津次郎、椎名兵库，两人皆为本佐仓城派来的援将，其余部将皆退往本丸驻守。

上杉军上野沼田众在破坏三丸的防御工事后，将其完全占据，其余众兵蜂拥而上，随即攻打二丸。守军以箭矢、落石还击，沼田众前进受阻。随后，上杉军众陆续投入战斗，其中，越后上田众杀上二丸，攻势甚猛。椎名兵库、椎津次郎将本队移上城郭，与上田众等展开激烈的白刃战，其余守军亦猛烈还击。战斗持续了一段时间，越后上田众武士下平右近允、广居又五郎身负重伤，战况一度胶着。

不久，联军各队陆续参战，争先涌上城来。见二丸情况危急，本丸内的高城胤辰、原大藏丞作为第一阵，率先从城内突出。上杉军先阵长尾景长、富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，臼井城岌岌可危。

三月二十三日，上杉军众发动总攻。开始前，军中的海野隼人劝告辉虎，说日子不吉利，不建议进攻，但辉虎不听，执意攻城。

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，大斩越国甲。

与此同时，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。上杉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。

随后，松田康乡击破上杉军先锋，率领数骑杀入本阵，亲自斩杀六七人，砍到旗帜(御马印)，北条军士气大增。不久联军被迫后撤。

期间，松田康乡的坐骑被长枪刺倒，却仍徒步向前，杀毙数人，其一身朱色盔甲奋战之姿受到了上杉谦信的赞誉，谦信感叹曰：“据说岩舟山上住着赤鬼，这一定是他（岩舟山に赤鬼の住むと沙汰しけるは、一定彼がことなるべし）”。从此人称“鬼孙太郎”“松田赤鬼”，勇名响遍邻国。

两天后的三月二十五日，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。上杉联军全线溃败，狼狈逃回越后。

至此，臼井城之战以北条军大获全胜而告终。上杉辉虎此次出兵的战略目标，也就是攻克千叶氏的本佐仓城的计划完全失败。

上杉家在比战术上的失败更惨的是战略上的全线溃退。臼井城之战惨败后，上杉辉虎遭到众多关东国众叛离。

永禄九年（1566年）五月，也就是在臼井城之战败北两个月后，常陆、下总、下野的一批国众最早背叛上杉，投靠到了北条麾下。这一期间反叛的有常陆小田氏、下总结城氏、下野小山氏、宇都宫氏。

八月，武藏忍成田氏、上野新田由良氏、下野皆川氏倒戈北条。

九月，上野厩桥城主北条高广倒戈北条。

十一月以后，上野小泉富冈氏、上野馆林长尾氏、下总关宿梁田氏、栗桥野田氏、森屋相马氏、上总土气酒井氏相继倒戈至北条一方。

永禄十年（1567年）正月，佐竹义重也与北条氏政缔结和议。而仍旧支持上杉辉虎的国众西上野箕轮长野氏、惣社长尾氏、白井长尾氏相继被武田信玄灭亡，西上野被武田信玄掌控。而东上野、东下野、武藏、下总、上总、常陆，上杉辉虎丢了个干干净净，这时候在关东的直辖领只剩下上野沼田领，从属国众则只剩下东上野桐生佐野氏、下野佐野氏、武藏羽生城木户氏。

到了永禄十年底，上杉辉虎连上野桐生佐野和下野佐野都保不住了，先是弃守下野佐野，随后桐生佐野闻风投向北条，上杉的关东领国就只剩下和越后相接的上野沼田，以及作为飞地的武藏羽生了。

臼井城之战是上杉辉虎最著名的一次惨败，打破了上杉辉虎未有败绩的神话。上杉联军的万余兵力损失过半，且此战后上杉家在关东的影响力与地位一落千丈，原本依附上杉的关东诸大名纷纷倒向北条。无论是在战术上还是战略上，辉虎都输的体无完肤。

到永禄十年止，上杉谦信已发动了八次关东侵攻。至此战，上杉谦信十余年心血功亏一篑，关东攻略就此破灭，同时也标志着北条家在“越相之争”中取得最终胜利。

此后上杉再也无力与北条争雄关东，天正二年（1574年）时，北条氏政攻打亲上杉方的关宿城，上杉谦信虽亲自救援，却遭北条军击败，不但关宿城投降，连羽生城也遭到北条家攻陷，即是证明。

臼井城之战的最大争议是在于战争的发生时间。

各种史料对于战争结果的记载是一致的，但是，对于臼井城合战的发生时间尤其是年份（月份与日期大体一致），却说法不一，甚至相互矛盾。

其中《关八州古战录》、《北越军记》、《上杉家谱》记载的时间是永禄六年（1563年）。

《续日本史》、《关侍传记》和《豆相记》记载的是永禄七年（1564年）。

《越佐史料》则为永禄九年（1566年）。

而《千叶大系图》、《续本朝通鉴》与《下总国旧事考》甚至提出了永禄七年、九年有两战并存。

经遗存的文物书信等实物考证，战争的发生时间当为永禄九年，这也是当前的定论。但从史料来分析，其时间都指向永禄七年。

上杉联军在臼井城之战的伤亡程度，各类史料诸说不一。从战死数百至全军覆灭皆有记载。其中『战国遗文』的说法是死伤五千余人。

关于北条家的参战兵力，有多路部队的人数记载不明，其他有记载的部队人数合计约七千余人（氏康、氏政父子另有一万人的预定援军，但还未成行战争便已取胜）。但根据上杉联军的参战人数及战争前后的形势来推断，北条家的兵力应该超过一万。

其次是北条军的伤亡人数，各类史料皆无明确记载。但依合战形势及战后情况来看，其损失当远小于上杉联军。