乳母子として義仲と共に育ち、弟の兼平と共に忠臣として仕える。治承・寿永の乱における治承年（1180年）の義仲挙兵に従って各地を転戦した。寿永2年（1183年）の倶利伽羅峠の戦いなどで重要な役割を果たし、平家を都から追い落として7月に義仲と共に入京した。9月に後白河法皇の命により、義仲は水島の戦いで西国へ下るが、京の留守を兼光に命じ、法皇の監視に当たらせている。法皇と義仲が対立した法住寺合戦で法皇を拘束するなど義仲軍の中心人物として活躍した。元暦元年（1184年）正月、義仲に離反した源行家・源義資を討伐するため、河内国石川へ500騎で出陣するが、その間に鎌倉軍が到着し、敗れた義仲は粟津の戦いで討ち死にした。翌日、義仲の死を知った兼光は京へ戻る道中で兼光の母親生家、児玉党の説得で武装解除し命を嘆願すると云われ源義経の軍勢に生け捕られた。義仲と云う主君を失いながらも義仲へのいいたわりや忠実な気持ち、美しい主従の絆が書かれている。26日、義仲らの首と共に検非違使に身柄を引き渡され、2月2日、渋谷高重によって斬首されたが兼光の嘆願で義仲の隣に首を置く事になる。『吾妻鏡』によれば、兼光は武蔵国児玉党の人々と親しい間であったため、彼らは自分達の勲功の賞として兼光の助命を訴え、義経が朝廷に奏聞したが、兼光の罪科は軽くないとして許されなかったという。
長篠合戦後、武田氏は領国再建のため越後上杉氏・相模後北条氏との同盟強化に着手する。信玄後期に後北条氏とは甲相同盟を復活し、上杉氏とは本格的な軍事的衝突こそないものの緊張関係が続いていた。天正3年（1575年）、紀伊国に亡命していた将軍・足利義昭が武田氏（甲斐）・後北条氏（相模）・上杉氏（越後）三者の間での和睦をするよう呼びかける（甲相越一和）。長篠の敗戦後、上杉謙信との和睦を模索していた勝頼にとって義昭の上意は渡りに船であった。9月28日には義昭側近の一色義長に対して、義昭の和睦案の受け入れを表明した。謙信は武田との和睦には反対しなかったが、北条との和睦は拒絶した（『上越市史』）。後北条・上杉間の不和により甲相越三和は実現しなかったものの、武田と上杉の和睦は10月中に成立しており、長篠の敗戦とその後の織田、徳川の攻勢によって窮地に立たされていた勝頼は外交状況の改善に成功した。天正4年（1576年）2月、足利義昭が安芸国の有力大名・毛利輝元に庇護を求め、その勢力圏である備後国鞆要害に下向した。4月には輝元が義昭の庇護を受け入れ、5月に信長との同盟破棄に踏み切る。6月16日に輝元挙兵を知らせる書状を受け取った勝頼は、武田・毛利間の同盟を求める書状を送った。同時期、6月12日に義昭は、武田、北条、上杉の三者に甲相越一和を命じる御内書を再度下している。前年とは違い、この時は輝元の副状付きであった。9月16日にも勝頼は輝元に対して、六ヶ条の軍役条目を送っている。この頃に毛利氏との間で同盟が成立したと考えられる（甲芸同盟）。勝頼は上杉氏とは足利義昭を間に挟んで和睦継続を確認し、天正5年（1577年）正月22日に北条氏政の妹（北条夫人）を後室に迎えるなど、双方と外交関係を強化していたが、上杉・後北条間の外交関係は険悪な状態が続いていた。翌天正6年（1578年）3月13日、越後国で上杉謙信が病死すると、北条氏政の弟（遠縁との説もある）で、上杉氏に養子として出されていた上杉景虎（旧名・北条三郎）と謙信の甥で養子の上杉景勝の間で家督を巡り御館の乱が起こる。勝頼は氏政から景虎支援を要請され、5月下旬には武田信豊らを信越国境へ派遣し、6月29日には自らも越後国へ出兵し、景勝・景虎間の調停を試みる。景勝方から和睦が持ちかけられると、これを受け入れている。これにより勝頼は景勝と和睦し、条件であった上杉領を接収すると、一方で景虎方との和睦調停も継続し、8月19日には春日山城において両者の和睦を成立させる。勝頼は徳川家康の小山城・田中城への攻撃を受けて8月27日に帰国する。その間に景勝・景虎間の和睦は破綻し、天正7年（1579年）3月24日には景勝方の勝利により乱は収束する。勝頼は乱の終結において明確な景勝支援は行っていないが、これにより後北条氏との関係は険悪化する。同年9月に両者は手切となり甲相同盟は破綻し、領国を接する駿河・伊豆・上野方面において抗争状態に突入する。後北条氏は徳川家康と同盟を結び、駿河国において武田氏は挟撃を受ける事態に陥った。これに対し勝頼は、妹の菊姫を景勝に嫁がせ、上杉との関係を軍事同盟に発展させるが（甲越同盟）、内乱後の深刻な後遺症により上杉領国外への影響力は失っていた。そのため甲越同盟は対北条同盟でなく対織田信長の協約として機能し、勝頼は同年10月8日に常陸国の太田三楽斎を介して佐竹義重との同盟交渉を試み、甲佐同盟を結ぶ。さらに里見義頼や小弓公方らとの連携を模索し後北条氏に対抗する。殊に上野戦線では真田昌幸の活躍もあって北条方を圧倒した。一方、織田信長との関係は、長篠の戦い以降は小康状態が続いており、勝頼は佐竹義重を介して信長との和睦を模索する（甲江和与）。天正7年11月16日には信長養女を母とする嫡男・信勝への官途奏請を行い、信勝は元服している。