Боевой порядок армии Помпея состоял из трех линий, в каждую из которых входило по десять шеренг, так что общая глубина построения достигала тридцати шеренг. На правом крыле находился киликийский легион, усиленный когортами, прибывшими из Испании. В центре стояли два сирийских легиона. Левое крыло составили два легиона, переданные Цезарем Помпею по постановлению сената еще до начала их противоборства; командовал ими старый соратник Цезаря, Тит Лабиен. Около двух тысяч добровольцев-ветеранов было распределено по всему фронту. Вся конница, лучники и пращники построились на левом фланге, где находился и сам Помпей. Оставшиеся семь когорт были оставлены для охраны лагеря.

Боевой порядок армии Цезаря состоял также из трех линий. Правое крыло составлял его лучший Десятый легион, левое – Восьмой и Девятый легионы, в центре находились остальные легионы. Левый фланг упирался в ручей Энипей, на правом фланге стояла конница, усиленная легковооруженной пехотой. Опасаясь за свое правое крыло, Цезарь взял из третьей линии десять когорт и из них создал особую четвертую линию: шесть когорт построил за своим правым флангом под прямым углом к фронту, а из остальных составил небольшой резерв. Шести необычно расположенным когортам были даны специальные указания – действовать совместно с конницей; при этом Цезарь сказал, что победа в битве зависит исключительно от храбрости этих когорт. Третьей линии запрещено было идти в атаку до особого сигнала.

Бой начался наступлением легионов Цезаря. Две линии его армии стремительно бросились вперед, на полпути остановились для небольшой передышки, затем снова побежали, бросили пилумы и обнажили мечи. Легионы Помпея выдержали эту атаку. В это время двинулась вперед находившаяся на фланге конница Помпея. Ее поддержала легковооруженная пехота, и под этим натиском более слабая конница Цезаря стала отходить. Казалось, что конница Помпея вполне успешно преследует конницу противника. Но когда она вышла на линию шести когорт, скрытых Цезарем за своим правым флангом, то была внезапно атакована ими и одновременно контратакована с фронта конницей Цезаря, прекратившей отступление. Конница Помпея была разбита, его легковооруженные пехотинцы перебиты, в результате левый фланг его армии из-за отсутствия резерва оказался оголенным.

Разбив конницу Помпея, ударная группа Цезаря (шесть когорт плюс когорты резерва) вместе с конницей атаковала пехоту противника во фланг. В это время стоявшей до того на месте третьей линии был дан сигнал к наступлению. Легионы Помпея не выдержали этой комбинированной атаки с фронта и во фланг и побежали к своему лагерю. Когда Помпей увидел, что его конница разбита, он также бросился в лагерь, оставив на произвол судьбы свои еще сражающиеся легионы. Из лагеря он с личной охраной поскакал в Лариссу, а затем к морю, где сел на корабль и отплыл в Египет.

Легионы Цезаря с ходу атаковали лагерь противника и взяли его. Остатки армии Помпея отступили на близлежащую гору, а затем устремились к Лариссе. Цезарь оставил часть сил для охраны своего лагеря и захваченного лагеря противника, а сам с четырьмя легионами пошел наперерез помпеянцам. К вечеру ему удалось перерезать противнику все пути отступления, и на рассвете остатки армии Помпея сложили оружие. Цезарь, по его собственным данным, взял в плен двадцать четыре тысячи легионеров, включая плененных в бою, в лагере и в редутах.

Победа под Фарсалом стала логическим завершением всех предшествующих действий Цезаря. Он умело использовал многочисленные промахи Помпея и захватил стратегическую инициативу в войне. Эта победа позволила Цезарю установить собственную военную диктатуру. Сначала он был назначен диктатором на десять лет, а в 44 (или в 45) году до н. э. покорный сенат присвоил Юлию Цезарю титул «вечного», то есть пожизненного диктатора. Гигантский шаг к созданию империи был сделан.