義昭と信長の対立が表面化すると、元亀4年（1573年）3月、軍勢を率いて上洛した信長を出迎えて恭順の姿勢を示した。義昭が信長に逆心を抱くふしがあることを密かに藤孝から信長に伝えられていたことが信長の手紙からわかっている。義昭が追放された後の7月に桂川の西、山城国長岡（西岡）一帯（現長岡京市、向日市付近）の知行を許され、名字を改めて長岡 藤孝と名乗った。8月には池田勝正、三淵藤英と共に岩成友通を山城淀城の戦い（第二次淀古城の戦い）で滅ぼすという功績を挙げ、以後は信長の武将として畿内各地を転戦。高屋城の戦い、越前一向一揆征伐、石山合戦、紀州征伐のほか、山陰方面軍総大将の明智光秀の与力としても活躍した（黒井城の戦い）。天正5年（1577年）、信長に反旗を翻した松永久秀の籠る大和信貴山城を光秀と共に落とした（信貴山城の戦い）。天正6年（1578年）、信長の薦めによって嫡男・忠興と光秀の娘・玉（ガラシャ）の婚儀がなる。光秀の与力として天正8年（1580年）には長岡家単独で丹後国に進攻するが、同国守護一色氏に反撃され失敗。後に光秀の加勢によってようやく丹後南部を平定し、信長から丹後南半国（加佐郡・与謝郡）の領有を認められて宮津城を居城とした（北半国である中郡・竹野郡・熊野郡は旧丹後守護家である一色満信の領有が信長から認められた）。甲州征伐には一色満信とともに出陣。信長は正月12日付の藤孝宛ての黒印状で、知多半島で取れた鯨肉を朝廷に献上したうえで、家臣である藤孝に裾分けする旨を述べており、鯨は多くの人に分ける習慣があったことが指摘されている｡
元亀2年（1571年）3月から5月にかけて、武田信玄は高天神城や東三河の足助城、野田城、吉田城を攻略したとされるが、これは関係文書の年次比定の再考から天正3年（1575年）の出来事であったことが指摘されている。信玄の死後、その子勝頼も天正2年（1574年）に高天神城を攻撃、猛攻を加えて結果二ノ丸が落城した。城主小笠原氏助は織田・徳川の援軍を期待したが、徳川単独で援軍を出す力はなく、織田軍は各地の一向一揆の対処のために援軍が送れずにいた。こうした状況に絶望した氏助はついに降伏、高天神城は開城した。氏助（信興）は武田方に臣従を誓い、ともに籠城していた大須賀康高などは逃がされて浜松まで落ち延びた。信玄でも陥とせなかった高天神城を落城させたことは、当時の武田勝頼の武名を大きく上げることとなった（第一次高天神城の戦い）。天正3年（1575年）5月、武田氏は長篠の戦いで大きな損害を受ける。さらに上杉謙信没後に発生した御館の乱において、上杉景勝の和睦要請に応じる。勝頼は北条方の上杉景虎との間に和睦を成立させるが、勝頼の撤兵中に景勝・景虎間の和睦が破綻し、景虎は滅亡する。これにより武田氏と北条氏の甲相同盟が破綻し、勝頼は景勝との同盟を強化して甲越同盟を結ぶ。こうした外交関係の変化により、武田氏は駿河方面において西の織田氏・東の北条氏を同時に対応することとなる。この間、勝頼は高天神城の拡張を行って縄張りを西側の峰・現在の高天神社の範囲まで広げ、城代として今川氏の旧臣である岡部元信（真幸）を任命している。一方、徳川家康は光明・犬居・二俣といった城を奪取攻略し、殊に諏訪原城を奪取したことで大井川沿いの補給路を封じた。さらに付城として横須賀城など6箇所の拠点を築いて締め付けを強化し、高天神城は利点の裏で維持のための補給線が長く負担も大きなものとなっていった。そして天正8年（1580年）9月、徳川軍は満を持して高天神城を攻撃した（第二次高天神城の戦い）。岡部元信は千程度の軍を率いて激しく抗戦するものの、兵糧攻めにあって兵の士気が大きく衰えた。勝頼も援軍を送ろうとするが、東西に敵を抱える状況でそれがかなわない状況が続いた。ついに翌天正9年（1581年）3月、逃亡する城兵が続出し、城代岡部元信以下そのことごとくが討死して高天神城は陥落した。わずかに生き残った城兵は助命されたが、武者奉行孕石元泰のみが切腹させられた。これは、徳川家康が今川氏の人質であった時代に、孕石が人質であった彼に辛く当たったことを遺恨に思ってのことであった。また、西側の尾根を伝って軍監の横田尹松が脱出に成功し、甲斐（山梨県）の勝頼に落城の事実を報告した（この脱出道は現在も残っている）。なお、この高天神城の攻防戦に最後まで援軍が送れなかった武田勝頼の声望が致命的に低下し、翌年に木曾氏・保科氏など豪族が寝返っていく理由となったといわれ、『信長公記』でもことさらにそのあたりを強調する記述となっている。ただし、織田信長が籠城側の降伏を拒否するよう家康に指示した書簡が現在残っている。このことから、籠城側が既に早い時点で降伏の意思を家康に伝えていたにもかかわらず、籠城戦を長期化・劇的なものとすることで、援軍の出せない勝頼の声望を意図的に下げようとした信長の策略だったのではないかとの指摘がある。落城後、高天神城は廃城となり、その後も城郭として整備されることはなかった。城の山頂に高天神社があったために、山自体は地元のシンボル的存在としての役割を継続することとなった。