對砥石城第二回合的攻擊，是在橫田備中守高松陣亡兩天後進行。
晴信決定讓洋槍參加這次作戰，用火力支援小山田信有的部隊。
那一日，天文十九年（一五五零年）九月十一日，晴空萬里。小山田隊準備繩梯及繩索，逼近砥石城。那是和橫田備中守高松進攻時一樣的西南崖壁。
爬到斜坡森林上限時，小山田信有讓士兵休息。直到這兒，做法和橫田備中守相同。
「洋槍隊到這裡集合。」
小山田信有在樹蔭下召集洋槍隊。
「本隊休息片刻後，朝向那山上的烏鬆開始攻擊。敵人可能會像前天一樣，推落岩石、亂箭飛射，只要一看到敵人影子，便瞄準射擊，石頭是抵不過槍彈的，敵人一定會退下，我方乘機登崖。」
洋槍隊長安原貫道說：「有關洋槍的事，交給屬下吧！」
自從在塩尻峠戰役中立功以來，他一直以擔任洋槍隊長為榮。他有種錯覺，認為擔任此新兵器的隊長，遠勝過其他揮刀動槍的隊長。洋槍的數目比塩尻峠戰役時更多，增加為三十挺。
安原貫道將洋槍隊適當散開，準備隨時射擊。
「只要是晴天，任何武器都比不上洋槍。」
安原貫道志在必得地說。小山田信有下達命令，隨著螺號聲，將士一起攀登崖壁。
事先等候的城兵，推落岩石並發射亂箭。
「開槍！」
當安原貫道的口令如裂帛之聲劃破寂靜時，三十挺洋槍同時發出巨響。崖上負責推石和射箭的十名城兵滾落下來。
「機會來了，趁現在趕快攀登。」
小山田信有下令，士兵們朝向山頂攀登。
敵人似乎在洋槍的威力之下落荒而逃，推落岩石及射箭的城兵已經很少，偶爾一露面，便成為安原貫道洋槍隊的活靶。
小山田隊中領先攀爬的是名身材瘦小、擅長爬樹的男子。他爬到崖頂，把繩子綁在崖上的樹根，再繫上繩梯。小山田隊連接這些繩梯，陸續往上爬。敵軍好似膽怯，不戰而退入城內。
當小山田信有爬上繩梯望見城堡時，小山田隊的數十名前頭部隊已逼進城門。
小山田信有是甲軍數一數二的勇將，跟隨他的兵士都是出身郡內的勇士，從未吃過敗仗。上田原之役中，曾經以數十騎殺進村上義清的本營，解救武田的危機，自負是甲軍中最強的部隊。
小山田信有觀望敵城。建在寬廣台地上的砥石城，看來頗為堅固。雖然想不到這樣的小城會有五百兵士據守，但石垣和城樓很高。
城內充滿令人膽顫的寧靜。
「窮寇勿追！」
小山田信有派傳令兵去警告前頭部隊，概略統計台地上士兵的人數，約為一百五十人。然而敵兵有五百人，如要攻打至少要有五百人以上來到台地才能作戰，這是戰爭的一般常識。在充實兵力前，得先確保攀登路線沒有危險。
「洋槍隊何在？」
小山田信有看不到剛才還在梯下的洋槍隊，便問了身旁的副將小澤式部。
「洋槍隊和渡邊雲州公那一隊一起……」
小澤式部指向前方說：在那裡。以安原貫道領先的洋槍隊，越過氤氳的草地，朝向城堡前進。
「叫洋槍隊立即回來，在此防守。」
小山田信有的傳令兵立即跑去通知，這時，城門推開，敵兵沖了出來。
「糟了。」
小山田信有叫道。從城樓上傳來亂鼓之聲，城兵像決堤的河水一般蜂擁而來，沖向掛有攀登繩梯的地點。小山田信有將部隊成扇形展開準備迎敵。他希望在自己抵擋敵軍時，有更多的友軍從繩梯爬上來。
像吼叫的喊聲傳來，佐久眾三百人殺奔而來。
「甲斐的傢伙一個也別放過，通通殺光！」
佐久眾異口同聲地叫囂著。長久以來，受到甲軍欺凌、領土被奪、生命不保、男人被送到金山、婦女被賣為娼妓，這種種暴行令身為親友者不惜生命，都想只要多殺一個武田的人，便能為父母、兄弟、妻子雪恥。
佐久眾個個貌似鬼魅一般，充滿仇恨的臉拿起血刀時，活像夜叉。小山田隊步步後退。
「趕緊集合洋槍隊。」
小山田信有叫喊。只要展開短兵相接的肉搏戰，洋槍便派不上用場。甚至洋槍可能會被敵人襲擊而被奪走。洋槍是貴重品，為了買洋槍而花費鉅額的黃金。
當甲軍企圖集合洋槍隊時，城兵殺進。他們也想擁有這種貴重的武器。建有城堡的台地陷入混亂局面，城兵人數佔有壓倒性的優勢。小山田隊的傷亡與時俱增。
「此地的事交給屬下，請退兵。」小澤式部對小山田信有說。
「不能後退，要防守。在防守時，我方的人數會增加。」
小山田信有話才說完，城樓上有洋槍朝小山田信有射擊。林武市報告敵軍擁有洋槍的消息，果然屬實。
小澤式部被射穿胸膛而倒。等到城樓上的洋槍火力結束，城兵朝向小山田信有殺了過來。
「佐久的大井政平。」
「在志賀城陣亡的神津賢良之子賢佑。」
兩名年輕武士報出姓名，同時持槍刺向小山田信有。
小山田信有無法招架，一步步被逼到崖邊，一不小心，滾落崖下。
繩梯被城兵斬斷，留在城池台地上的攻擊軍終於孤立了。
當日色升高，勝負已經決定。
小山田隊除了小澤式部，渡邊雲州兩將之外，還有二百零八名陣亡，城兵的陣亡人數約五十三名。
安原貫道及其他二十三名洋槍隊被斬殺，三十挺洋槍全部被奪。
跌落崖下的小山田信有，在神智昏迷中被抬下山。腰部受重傷無法站立。
晴信默默聽著戰敗的經過，他沒有責怪小山田信有的攻擊計策，也不去追究被奪走的三十挺洋槍。
這時，他想到橫田備中守高松的死諫。
（如把佐久的叛徒全部處死，佐久會繼續背叛，就算佐久之人因背叛而死絕，剩下的草木也會背叛武田的。）
城內向甲軍飛箭傳書。信上言明要將甲軍屍骸拋到山崖下，叫甲軍收拾。次晨，甲軍前往該地點時，被剝去武具而幾乎全裸的甲軍屍體到處橫陳，發出腐臭。有些兵士因屍體慘不忍睹，不肯收拾而逃。經過前後兩次敗戰，使甲軍士氣不振。晴信也無心再發動第三次的攻擊。
晴信一面圍困砥石城，一面等待村上義清的動態。雖然砥石城攻不破，可是他仍然等待著真田幸隆的分化工作，而使北信諸侯前來做內應。但是，晴信的大軍攻不下砥石城的消息已傳播到北信各城池。
到了九月二十三日午夜，真田幸隆引領十數騎，來到晴信本營。
晴信召集所有武將，深夜召開軍事會議。
「村上義清的軍兵約為兩千，士氣頗高昂，明日午後可能會到達此地。」
真田幸隆以此為開場白，一一說明北信的情況逐漸不利於武田的經過。北信對戰況極為敏感，小土豪們想依附強者來保障自己的領土和家園。不論何方勝利，投靠勝方，便能對未來有所保障。因此，他們多採取騎牆政策，並不想違抗潮流，表面上也裝著願意歸順任何一方，而盡量維持原狀至最後的那天。戰局影響微妙的動向，聽到甲軍曾經靠著勝利的吶喊而攻入林城，便書面向甲軍表示歸順的土豪們，當他們再聽說甲軍在砥石城吃盡苦頭時，旋即又送賀函給村上義清。
軍事會議的重點，在於是否對村上義清加以迎擊。目前的地勢並非有利，應該把陣地轉移他處。攜帶的兵糧業已用罄，將士們也疲憊不堪。考慮各種條件之後，還是認為甲軍留此和村上義清軍交戰是不利的。
在諸將異口同聲主張撤退的當兒，晴信卻以鷲樣的眼神在思考，彷佛捨不得就此撤退。
「主公，軍事會議的結果一致同意撤兵，敬請下達命令。」
駒井高白齋代替諸將發言。
「情非得已，但是撤退要大大方方，如果逃竄而歸，會貽人笑柄。」
晴信回想上田原之役，那次戰役雖然損失板垣信方和甘利虎泰二員大將，但戰爭打成平手，甲軍威嚴地整理隊伍撤退，晴信希望這次也能如此。
次日是十月朔日，甲軍在長達一個月的布陣後著手撤退。看到甲軍的撤退，砥石城的士兵立即出城追擊。首先約有百名士兵的小部隊下山來，向原加賀守的軍隊挑釁。追趕時，對方就逃走，撤退時，對方又追趕。這種煩人的作戰方式，使原加賀守困惑不已。當原加賀守帶領整支軍隊沿著神川前進時，原先逃走的百名敵兵，增為一百五十名進行反擊。這時，村上義清的先頭部隊業已到達。
砥石城發出吶喊，城兵見到本隊到達，便攻出城去。
甲軍開始撤退，但是村上軍的追趕比甲軍的撤退來的迅速，負責斷後的原加賀守的兵馬，阻擋不住蜂擁而來的村上軍而逃到本