沉浸在攻陷海津城喜悦中的诸将还不知道，就在两天前，四月二十七日，真田昌幸便以率领一千军势从沼田城出发，越过浅间山，突袭了防守空虚的小诸城，城代大平伊贺守国祐擅自出城野战，却被真田家臣河源纲家讨取，其子大平国则以三百军势笼城。
二十八日，仙石秀久不顾日根野吉明与京极高知的阻拦，率所部一千五百人南下解围小诸城，却于城外遭遇真田信繁伏击，麾下大将四宮光利等十余人战死，军势死伤近半，秀久率残部返回上原城外信浓联军本阵，要求日根野与京极两家一同出兵小诸城，但是被京极高知以“三百守军足以抵御真田军，待攻克上田城后再南下支援不迟”为由拒绝，日根野吉明也劝说仙石秀久不要意气用事，中了昌幸围魏救赵之计。
秀久不解，质问两人道：“内府嘱托吾等在小诸城与之会师，若此城有失，如何交代？且上田城尚有守军一千二百余，以真田军的能力，坚守五日以上绝非难事，而小诸城仅有农兵三百，且大将战死，军心不稳，又有安房守这般智将带兵猛攻，安能坚持到我军回援？到时候恐怕是既没有拿下上田城，又丢了小诸城，我们可就真是进退失据了。”
听他这么一说，日根野和京极也心生犹豫：“依越前守之见，当如何是好？”
秀久笑了笑道：“北边的海津城在堀家和石川家的围攻下，不出两日必能攻克，我军与其在此浪费时间围城，不如先解小诸之围，将攻打上田城的重任交给越后的那帮家伙，一来可以避免浪费我军的时间，二来也能先他们一步与内府会师，当然，最重要的还是拿下真田安房守的首级，为内府大军的沼田之败报仇，这功劳比起攻克上田城可是有过之而无不及啊。”
京极高知对秀久的想法表示怀疑，他始终觉得这是秀久为解小诸之围寻找的借口，可日根野吉明却有所动摇，他的兵力为三家中最少，因而更加小心谨慎：“越前守所言不无道理，若是丢失了小诸城，吾等实在难以向内府交待，与其在此浪费时间，倒不如挥师南下，与城内守军一同夹击真田军，这攻克上田城的功劳就当作顺水人情送给堀扫部和石川玄蕃好了。”
“既然二位心意已决，在下也无话可说。”京极高知叹了口气，“出兵至今未立寸功，若是不能在小诸击败真田安房守，就真是无颜见内府了。”
当天夜里，信浓联军以京极军三千人为先锋，日根野八百人为殿军，离开上田原奔赴佐久郡的小诸城。然而，得知其动向的真田昌幸见计谋得逞，亦是悄然从小诸撤退，绕道浅间山南麓前往上田城。
二十九日清晨，真田军行至笠取垰，却为日根野军斥候发现，吉明随即向京极高知汇报，高知命令日根野军为先锋，对真田军展开追击，自己则和仙石秀久率主力四千二百人迂回至真田军右翼发起突袭。
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。