武田信玄の嫡男。母は公家・三条公頼の女。幼名は太郎。
天文１９年（１５５０）１２月に元服。智勇ともに優れており、信玄の後継者として嘱望されていたという。
天文２１年（１５５２）１１月、甲駿相三国同盟の一環として今川義元の娘を妻に迎えた。
天文２２年（１５５３）に将軍・足利義輝より一字を与えられて義信と名乗り、弘治４年（＝永禄元年：１５５８）１月には義輝より准三管領の称号を与えられている。
永禄４年（１５６１）の川中島の合戦（第４回）には奮戦して、その名を広く知らしめた。
しかし永禄５年（１５６２）頃より異母弟・勝頼が台頭してきたこと、永禄７年（１５６４）頃から武田氏の戦略が北進策から西進策に転じ、その矛先が妻の実家である今川領に向けられたことなどから、父子間に反目が生じた。これらのこととの因果関係は不明瞭だが、永禄８年（１５６５）９月頃に謀叛の計画が発覚すると東光寺に幽閉され（武田義信幽閉事件）、永禄１０年（１５６７）１０月１９日、幽室にて自害した（病死ともいわれる）。
夫人は翌月に駿河国の今川氏へと帰され、武田氏と今川氏の同盟関係は破綻した。そして永禄１１年（１５６８）１２月、武田氏は今川領への侵攻を開始することになる（武田信玄の駿河国侵攻戦：その１）。