直江兼续率领二万四千大军攻打最上家领有的村山郡。
直江兼续在九月十二日率兵围攻[火田]谷城，先在城下击败义光派来的援军，然後翌日派色部胜长为先锋将其攻陷，城将江口光清兵败自杀。同时上杉家的酒田城主志田义秀率庄内军逆溯最上川进逼村山郡、尾浦城主下吉忠也经由六十里越街道直接进宫山形城，最上家的寒河江城、谷地城、白岩城等城池先後在上杉军的攻打下陷落，最上义光眼见直江兼续势不可挡只好派出嫡子义康为使者向素来不睦的外甥伊达政宗求助，基於同属东军的义理伊达政宗以亲叔留守政景为主将率五千兵马配五百匹马及七百铤洋鎗出阵。
同一时间，直江兼续所统领的上杉军也已杀到长谷堂城下直逼义光老家山形城，多亏守将志村光安指挥得当，士气高昂才能将其阻於长谷堂城之外。期间唯有上山城主里见民部在面对上杉军攻击时奇袭成功，顺利斩杀敌将本村亲盛。九月二十一日，应邀而来的伊达援军越过世谷峡抵达山形城东方的小白川，守军得知这项消息後，莫不振奋。直至九月二十九日，志村光安开城杀出与最上伊达联军一同奇袭直江兼续，虽然斩杀敌将上泉泰纲，但在直江兼续的指挥下，上杉军仍旧是棘手的敌人。
不久後，最上家臣志村高治传来了西军在关原战败的消息，直江兼续也在接到上杉景胜的通知後，立即率兵由长谷堂城外的菅泽山本阵开始撤退回国，最上义光闻讯後亲率八百精兵由後衔击，趁此良机侵入庄内，攻取当年失去的尾浦城，并进一步直迫酒田城，但终因积雪而不得不罢战，翌年最上义光再度出兵一举攻下酒田城并回马一枪攻入仙北，攻打无视家康邀请并且还於横手城笼城坚守的宿敌小野寺家，还灭掉由利十二头中不臣服最上家的赤尾津氏，战後最上义光於庆长六年八月加封增加田川、栉引、饱海、由利四郡，由利十二头中的打越氏、仁贺保氏被德川家康拔擢为幕臣转封至常陆，其本领都交给了最上义光，最上家从此拥有共近五十七万石的领地，在全国各大名中石高位居第五位仅在金泽百万石的前田利长、家康次子结城秀康、外甥伊达政宗、距会津六十万石的蒲生秀行等四人之下。
庆长八年，义光开始著手进行治水的工程，整治赤川、开凿青龙寺川以及扩建立石寺、羽黑山的本社、黄金堂、五重塔并在修整专弥寺供奉亡女驹姬。同时最上义光和佐竹义宣各自将所领的部分雄胜郡及由利郡领土进行交换，义光取得完整的由利郡，并命令楯冈满茂统领由利地方，加封投入最上家麾下、本属由利十二头之中的泷泽政道一万石、岩谷朝繁三千石。
不过此时顺风顺水的最上家却还有一项危机，最上义光的嫡长子义康因不满义光迟迟不肯退位，不满情绪日增，而义光也因为曾在德川家担任小姓的次子家亲深得家康的信赖，所以跟父亲义守一样有意废长立幼，舍弃长子义康改立次子家亲为继承人的意图。因此最上义康被命前往高野山稳居，行经庄内时突遭暗杀身亡，後葬於山形常念寺，据说行凶者便是重臣里见民部的家臣原八右卫门，所以此事引起许多质疑是义光所为的声音。
庆长十二年，最上义光命家臣新关久正在赤川右岸建设因幡堰灌溉庄内平野的水田。庆长十六年，义光叙任为从四位左近卫权少将，在内政方面先是发掘了永松铜山，同时进行领内大检地，检地除了进行丈量外，也对米纳、钱纳及杂税进行统整，而考虑到当时羽州的情况，未强制贯彻石高制来徵税以行使稳健政策的义光也被後人以其善体民心的德政思慕至身後。後又在庆长十七年起用狩川城主北楯利长在立谷泽川进行北楯堰的工程解除了庄内平野灌溉用水不足的问题，使庄内平野的石高增加了十倍，使表面上是五十七万石的最上领地实质却是拥有了八十万石至一百万石的石高，并下令让日野备中进行由利郡的检地。
庆长十八年，义光前往骏府拜见已把将军之位交给三子秀忠的大御所德川家康，意识到自己命不久矣的义光在将最上家托付给家康後回告山形城便於次年病故辞世，享年六十九岁，葬仪当日有寒河江十兵尉、寒河江肥前守、长冈但马守、山家河内守四名家臣殉死。法名光善寺殿玉山白公。
在强敌环伺、内外交迫的情况里最上义光将各倾向独立化的领主权重新收归旗下，并强化了其间的主从关系，虽然这成功达到了领国集权的效果，但是也造成一族诸将的反抗义光统治的原因，使得义光甫继家督之位便要面对亲弟中野义时
及同族的最上八楯之挑战。此外，在最上家的外围东、南两面是强敌伊达家的领地、北方为小野寺家所割据、西方则是由长年欲入侵最上领的武藤家。在这番不利环境中最上义光手胼足胝地再次从无到有振兴最上家的声望，文治武功皆有可观的建树，其治政更广受到领中人民的爱载，这不仅是因为义光促进领地的经济、治水振兴农业，跟他多驱使阴谋、暗杀的非军事手段也有相当的关系，减少出兵的次数也就是减轻了人民的劳役及死伤，这对领民而言便是最大的福音，所以在义光统治山形期间，可以达到从无一揆记录，可见其治下人民对义光的崇敬。因而後世有人称呼最上义光为出羽的骁将也有人惊於其狡诈的谋韬而称他为羽州之狐。
义光死後，由次男家亲继位，在大阪之战时最上家亲与三弟清水义亲不和，曾担任过丰臣秀赖身边人质的义亲被怀疑与大阪方内通，被逼迫自害。而家亲也在元和三年鹰狩後在楯冈城接受叔父楯冈光直招待，是夜之中家亲突死於楯冈城内，引起家中纷乱，家亲的从兄弟松根光广告上幕府指称是楯冈光直毒杀了家亲，但是却又毫无证据，反被流放。之後家督之位由家亲年方十五的嫡子最上义俊继承，但是义俊素无人望又无才无能，引起楯冈光直等最上家重臣的不满，欲改立义光四男山野边义忠为当主，最上氏顿时分裂义俊、义忠两派，引发骚动。後於元和八年将军德川秀忠以内乱不休之名义把最上家所领没収，改易近江大森一万石，之後义俊於二十六岁时辞世，由其子义智接为最上家第十四代当主，此时幕府又以义智年少为理由，将最上家削减到五千石仅堪保存家名，使日後最上家只能以旗本身份存续残喘。