Pada tarikh 12 Mei 1600, Toyohisa pergi meninggalkan Istana Sadowara kemudian memulakan kerjaya di Fushimi dan pergi ke Osaka pada 5 Jun. Toyohisa pun mendengar khabar mengenai pergerakan politik Ishida Mitsunari melawan Tokugawa Ieyasu. Pada 1 Ogos, Toyohisa memberi ketetapan pada Ishida bahawa dia akan sedia menyertai Tenteranya (Tentera Barat) bersama dengan Enciknya, Yoshihiro. Mereka berdua menyertai Pertempuran Istana Fushimi-jo. Selepas Istana Fushimi-jo yang merupakan penyokong Tokugawa dapat ditaklukan, pada 15 Ogos tahun yang sama, dia pergi dari Fushimi menghala Sawayama. Menemui pemimpinnya Ishida Mitsunari di Istananya dan berlepas menuju medan perang di Wilayah Mino. Berdasarkan sebuah maklumat bahawa Tentera Timur akan menceroboh sampai ke Istana Gifu, Ishida Mitsunari menghendaki bagi Toyohisa mempertahankan daerah Etonowatari.

Apabila Pertempuran Sekigahara telah membara, Toyohisa bersama puak Shimazu menyertai Tentera Barat dibawah kepimpinan Yoshihiro. Dikatakan dalam sebuah kisah tempatan, bahawa Yoshihiro menghantar Toyohisa ke markas Mitsunari Ishida pada 14 September 1600, Ia mencadangkan serangan kejut pada malam hari terhadap tentera Kanto semasa di daerah Akasaka, tetapi Mitsunari menolak cadangan itu kerana tentera mereka masih belum siap dan Yoshihiro memutuskan untuk berperang di daerah Hirono semasa siang hari. Walau bagaimanapun, dikatakan bahawa Yoshihiro enggan mengambil bahagian dalam pertempuran kerana dia tidak mempercayai Tentera Barat yang tidak mahu mendengarkan serangan malam yang dicadangkan olehnya, tetapi anekdot ini ditulis dalam koleksi sekunder yang dipanggil "ochko Shu"(koleksi/kisah dari tanah yang dikumpul), dan oleh kerana hampir tiada rancangan pasti mengenai serangan malam dalam bahan sejarah pihak Shimazu, kisah itu tidak boleh dipercayai sebagai fakta sejarah. Malam itu, kem berpindah menghala Sekigahara, dan kem itu mempunyai bentuk kira-kira seperti sebuah pasar yang ramai. Kabus tebal di bawah hujan sebelum subuh menutupi medan perang pada tarikh 15 September. Yoshihiro mengambil kedudukannya agak jauh dari jarak pangkal utama. Ada sebuah kisah yang mengatakan bahawa, satu ketika Chōjuin Moriatsu datang untuk memberi amaran pada Toyohisa, kemudian menunggang kudanya berbalik arah. Toyohisa membalas, 'Hari ini, saya pastikan bahawa Pahlawan Berkuda hari ini akan menyerang satu sama lain.' mereka pun tertawa masing-masing. Apabila Sukenzaemon Yasoshima, seorang kakitangan Ishida Mitsunari, datang dari Edo sebagai utusan bagi meminta bantuan, kakitangan yang lain memarahi 'Okago' sebab dia belum turun dari kudanya. Toyohisa pun, sangat marah dengan sikap lancang daripada utusan itu. Ia menjerit 'Majlis hari ini hanya akan berjaya apabila utusan kerjaya seiras dengan tugasnya, tunjukkanlah jikalau memang kalian mempunyai maksud yang baik,' kemudian Toyohisa menyuruhnya kembali.

Semakin matahari naik ke atas, pertempuran semakin ganas. Toyohisa, yang kehilangan pandangan dari Yoshihiro sekali di tengah-tengah pertempuran, menjadi bimbang tentang apa yang akan dia lakukan dengan air matanya jikalau Enciknya dikalahkan. Yoshihiro kemudian menyertai Toyohisa kembali ke barisan semula. Apabila Tentera Timur perlahan mula memaksa mundur kesemuanya Tentara Barat dalam pertempuran, Tentera puak Shimazu menjadi terasing di medan perang, dan Yoshihiro terpaksa melakukan seppuku apabila dia enggan bersisurut. Bagaimanapun, Toyohisa merasa bahawa Enciknya harus kembali hidup bagi menghadapi situasi sukar yang datang selepas perang, dan berkata, 'Kewujudan keluarga ini, bergantung pada kebijaksanaan dari Shimazu Yoshihiro. Encik mestilah selamat.' tegas Toyohisa selepas melihat keadaan Tentera Barat yang kacau. Saya akan mati di sini demi melindungi Encik. Hanya Encik yang mampu memimpin Shimazu selepas sampai di Satsuma. Selepas mengucap kalimat-kalimat itu, Toyohisa menggesa mereka bagi meninggalkannya. Yoshihiro sempat mencuba mengoyak kem Ieyasu bagi menunjukkan kegagahan puak Shimazu ssebelum berpusing bagi memundurkan tentera ke Jalan Ise-kaido pada siang hari. Toyohisa berkhidmat sebagai pengawas di bahagian paling belakang terpisah dari tentera utama. Tentera Timur yang dihinakan puak Shimazu sebab serangan kejut sebelum ini mengejar dengan ganas. Toyohisa dipintas oleh Naomasa Ii yang langsung mengarahkan pasukannya menggalakan tembakan voli. Toyohisa terpaksa harus menghentikan pergerakan bagi melawan musuhnya. Toyohisa, yang mengorbankan dirinya sendiri bagi Yoshihiro, segera bersedia hendak menyerang tentara Naomasa yang lebih ramai dengan 13 penunggang kuda termasuk Gensuke Nakamura, Sadaemon Uehara, dan Shodayu Toyama. Menurut epik Sappan Kyuki-zatsuroku (Pelbagai Rekod Satsuma lama), 'Dia hampir menewaskan Naomasa Ii dengan terakol dan berjaya menghalau pengejaran samurai Tentera Timur. Terdapat nota yang mengatakan bahawa Shimazu Toyohisa mengalami pendarahan besar.'

Menurut satu teori, Toyohisa mencuba mengikuti Yoshihiro selama hampir sembilan kilometer dengan jalan kaki manakala dia terluka sangat parah, ketua pendeta dan kepala kampung Kuil Ruriko-ji menghalaunya ketika di terhuyung-hayang kampung kecil itu. Toyohisa mati di sekitar Kashiwara di Kamishizu, jasadnya dibakar menjadi abu dan dikubur di jirat Ruriko-ji Temple. Batu nisannya masih ada di tempat itu. Dikatakan juga bahawa kuda Toyohisa ditemui dengan pelana berwarna darah dan beberapa peralatan berkuda hilang. Berkat mengorbankan dirinya, puak Shimazu dapat kembali ke Satsuma dengan selamat tanpa kehilangan banyak samurai maupun ashigaru. Meski sudah jelas Toyohisa mati di medan perang, Yoshihiro tidak mahu percaya dengan fakta itu. Ia sampai menyuruh Oshikawa Kinchika (nama cembung: Sankokuzo-mairi) bagi mencari keselamatan Toyohisa, kerana Ia yakin Toyohisa sebagai pengawas bahagian belakang berjaya selamat sama saja seperti perang-perang sebelum ini. Kinchika mengembara ke seluruh Jepun mencari Toyohisa sehingga tiga tahun lamanya.

Pertempuran Hetsugigawa

Selepas genpuku, Toyohisa dan bapanya menjumpai musuh dari arah utara dan timur. Toyotomi Hideyoshi, seorang syogun berazam bagi menyatukan seluruh Jepun dalam kekuasaannya termasuk Kyushu. Pulau Kyushu yang sudah dikuasai Shimazu diserang pada 1587 (Tensho 15) atas arahan dari Otomo Sorin, daimyo Wilayah Bungo (kini Wilayah Oita).

Shimazu Iehisa dan Shimazu Toyohisa, disertai dengan kekuatan 10,000 tentera, mengepung Istana Tsuruga (kini di bandar Oita) berhampiran di Sungai Hetsugigawa di wilayah Bungo pada masa itu. Perpaduan kekuatan Chosokabe Motochika, Chosokabe Nobuchika, Sengoku Hidehisa, Sogō Masayasu serta jeneral-jeneral samurai lain datang ke sini sebagai korps di bawah naungan bendera Toyotomi.

Jumlah bilangan tentera Toyotomi mencapai 20,000 orang tentera. Akibatnya, tentera Shimazu menarik semula kepungan istana, menguburkan mayat di dalam hutan sambil berundur, dan bersedia bagi bertempur.

Apabila tentera Toyotomi mengetahui tentang gerak undur tentera Shimazu, mereka mula menyeberangi Sungai Toji, pada masa yang sama tentera Shimazu berbalik arah dan menyerbu musuhnya yang sedang lengah. Tentera Toyotomi melakukan kesilapan, dan para tentera berselerak ingin menyelamatkan diri masing-masing. Semasa pertempuran itu, lebih 1,000 orang tentera terbunuh atau cedera oleh tentera Shimazu. Jeneral musuh mereka, Chōsokabe Nobuchika dan Sogō Masayasu terbunuh dalam pertempuran. Tentera Shimazu yang lebih kecil berjaya memenangi Pertempuran Hetsugigawa yang menjadi salah satu pertempuran di Perang Kyushu.

Oleh Kerana kematian kedua-dua daimyo tadi, maka Shimazu Iehisa dan Shimazu Toyohisa berjaya mengalahkan tiga daimyo secara keseluruhan dalam siri peperangan: Ryuzoji Takanobu dalam Pertempuran Okitanawate dan Chōsokabe Nobuchika dan Sogō Masayasu dalam Pertempuran Hetsugigawa. Tiada panglima perang lain yang mampu mengalahkan begitu ramai daimyō di medan perang dalam masa kurang dari beberapa tahun sepanjang Zaman Sengoku.