然而，日根野军在真田信繁的骑兵冲锋下一触即溃，非但未能牵制住真田军，反而损失多员大将，吉明也一度被围，被迫率领残部退出战斗，朝小诸城撤去。待京极和仙石抵达预定位置时，真田军早已离开笠取垰，于是突袭战变为了追击战，真田军且战且退，并向上田城的小山田重诚求援。
战至中午，小山田援军八百人突袭仙石军左翼，真田昌幸也命令信繁发起反冲锋，仙石军逐渐不支，秀久要求京极高知率部支援，但由于地势狭隘，不适合大军作战，高知仅派五百人助其击退真田军，且阻止秀久进一步追击，劝说其先往小诸城与日根野汇合，重整旗鼓后再谋他法。
笠取垰一役，真田军大胜日根野，小败于仙石、京极联军，伤亡三百余人；信浓联军中，日根野吉明部伤亡最重，达四百人，且多名大将战死，基本丧失战力；仙石、京极军在追击战中先败后胜，损失二百余人，三方合计伤亡六百五十人。此役过后，真田昌幸率部抵达上田城，决议笼城。
可是随着下午海津城的陷落，形势急转直下，堀、石川联军一万一千余人火速南下，攻克了上田城东北的户石城，准备于次日对上田城发起总攻。而京极高知则在深夜接到家康的密信，要求其率部东进，一同攻打松井田城。
于是三十日清晨，京极、仙石率四千三百人赶往松井田，日根野部四百人留守小诸城。堀秀重于上田城北布阵，石川康长于城西布阵，昌幸则决定机动防守，对石川军以进攻为主，堀军以防御为主，分别击破，以拖待变。
中午时分，昌幸派一支骑兵出西门查探敌情，康长命令康次出击，真田军一路南撤，将康次引至城南谷地，四周伏兵尽出，康次当场被真田家臣海野甚平讨取，石川军近千人仅二百余人得以生还。康长大怒，亲自上阵攻打西门，却被铁炮所伤，被迫撤回本阵。
上田城位于上田盆地中央、千曲川畔尼ケ渊的悬崖之上，地势之险要非海津城可比。作为真田氏的本城，昌幸倾注了大量精力和物力开发建设，例如，为了确保笼城时水源不枯竭，昌幸将神川和矢出泽川的水引入城中，同时还在西南橹的东侧挖井以防万一，这些措施在这次笼城中发挥了重要作用。堀秀重虽手握重兵，但面对这样一座坚城却无从下手，反而时常被真田军利用地势穿插偷袭，不到一天功夫便已有些焦头烂额，唯有依靠大筒轰击，胁迫昌幸出城投降。
与此同时，德川军对松井田城的进攻也未见起色。浅野军于上野和信浓交界的碓冰垰伏击了京极、仙石联军，随即双方展开恶战，使后者一时难以抵达松井田与德川军会师；为进一步打击德川军士气，浅野长政率领东海道诸军对德川关东领地展开大规模进攻，钵形城、忍城、松山城相继失守，川越城因城主坚决抵抗而在破城后遭到丰臣军的屠城，大军先锋此时距离江户城仅十五里之遥。