Наконец Помпей решается на битву против уступавших ему в численности войск Цезаря. Армия Помпея выстраивается в боевой порядок на равнине между лагерями противников. Немедленно к месту сражения подходит Цезарь. Левый фланг его войска был расположен на берегу реки Энипей. Основную опасность для него представлял правый фланг противника, имевшего здесь во всадниках семикратный перевес. Следуя своим правилам, Цезарь выстроил войско в три линии, однако шесть когорт (около 2 тыс. человек) он поставил на защиту правого крыла армии. Промежутки между когортами он расширил с тем, чтобы протяженность фронта его армии была равна протяженности армии Помпея, в которой сохранялись обычные интервалы. Шесть оставшихся когорт были размещены на правом фланге для поддержки конницы (см. схему). Как обычно, третья линия выполняла функции резерва. Сам Цезарь находился с шестью когортами (так называемой четвертой линией), то есть на правом фланге.
Закончив построение войска, Цезарь отдает приказ двум первым линиям пехоты начать атаку против стоявшей неподвижно армии Помпея. В момент, когда пехота Цезаря наносила удар, Помпей обратил свою кавалерию, действовавшую при поддержке лучников и пращников, против небольшого отряда всадников Цезаря. Всадники Цезаря отчаянно сражались, но ничего не могли поделать с численным перевесом противника. Когда наступил решающий момент, Цезарь лично возглавил избранные шесть когорт во время атаки против фланга наступавших всадников Помпея. Цезарь рассеивает войско неприятеля, не ожидавшее удара, и продолжает упорное наступление; уничтожив лучников и пращников, он вступает в схватку с левым флангом армии Помпея. После этого Цезарь, во главе третьей линии, проходит в промежутках между когортами первых двух и наносит удар по фронту легионов Помпея. В результате внезапной атаки Цезаря и предпринятого его шестью когортами охвата сопротивление Помпея было сломлено. Армия Помпея бежала в лагерь. Не давая войску передышки, Цезарь начинает преследование противника и штурмует лагерь; и здесь он не позволяет воинам приступить к грабежам, вместо этого по пятам преследует противника. В панике Помпей бежит; добравшись всего лишь с тридцатью всадниками до побережья, он переходит на корабль и плывет в Египет.
В ходе данного Цезарем под Фарсалом решительного сражения погибло 230 его солдат; еще 2 тыс. получили ранение. Помпей потерял убитыми и ранеными 15 тыс., пленными 24 тыс. воинов. Римские провинции, а также государства Греции и Азии, находившиеся под римским протекторатом, немедленно заявляют о переходе на сторону Цезаря. В Африке продолжали сопротивление Юба и помпеянцы, а Египет и Испания не заняли четкой позиции.
