Однако блокада была прорвана, и Цезарь стремительно двинулся в глубь страны. Он уже разместил свои отряды в Фессалии и в других регионах Северной Греции, с тем чтобы обеспечить поставки продовольствия в свою армию. Он везде поддерживал местные группировки, настроенные против Помпея и сформированные до некоторой степени из тех, чьим семействам Цезарь в своё время оказал поддержку. Теперь он проводил подобную политику в Фессалии, где его армия успешно пополнилась двумя легионами под командованием бывшего консула Кальвина. В то же время силы Помпея также возросли за счёт войск Метелла Сципиона, прибывшего из Сирии и присоединившегося к нему в столице Фессалии Лариссе. Если бы Помпей после Диррахия решил возвращаться в Италию морским путём, Цезарь был бы вынужден, несмотря на опасность, следовать за ним сухопутным маршрутом. Но он предположил, и совершенно справедливо, что его враг не сможет покинуть Метелла Сципиона. Помпей также стоял в Фессалии, вдалеке от своих морских баз, а значит, имелись надежды на решающее сражение. После того как Цезарь позволил своим хорошо потрудившимся, но плохо питающимся солдатам устроить оргию грабежей, насилия и убийств в маленьком непокорном городе Гомфи, две армии стали друг против друга на равнине Фарсала. Силы Помпея теперь превосходили силы Цезаря более чем вдвое, и они были размещены на возвышенности. И всё-таки на следующий день меньшие силы, несмотря на неблагоприятную диспозицию, начали и выиграли сражение, не понеся серьёзного урона. Действительно, Цезарь собирался переломить сложившуюся ситуацию в надежде, что подвижность его армии, значительно превосходившая подвижность противника, могла бы дать ему некоторое преимущество. Но когда, к своей огромной радости, Цезарь увидел, что противостоящая армия готовится к сражению, он отменил приказ о выступлении и сформировал линию обороны.

Цезарь предполагал, что Помпей решил наконец вступить в битву под давлением консервативных политических деятелей в его лагере. Это были вздорные и злобные люди, которых интересовали только месть, нажива и прибыльные должности. Они яростно ссорились из-за того, кому достанется должность великого понтифика, занимаемая Цезарем. И что самое главное, они отказывались признавать Помпея своим командующим и главой. Он счёл необходимым предоставить Метеллу Сципиону полномочия независимого командующего. Тем не менее Агенобарб, подобно многим другим, глумился над Помпеем, называя его «царём царей», от которого он собирался избавиться, как только решающее сражение будет выиграно. Сам же Помпей пребывал в радужных надеждах на лёгкую победу и низкий боевой дух армии противника.

Эта ошибочная точка зрения сформировалась под влиянием Лабиена, лучшего военачальника Помпея. Это он добился принятия плана, в соответствии с которым добыть победу предстояло его стремительной 7-тысячной коннице. Конные отряды должны были напасть с фланга на правое крыло армии Цезаря после того, как легионы с обеих сторон вступят в бой. Цезарь, однако, предвидел эту опасность и сформировал запасной корпус из 3 или 4 тысяч пехотинцев (по одной когорте от третьей линии каждого легиона), который был направлен для поддержки правого фланга. Опыт Галльской войны научил Цезаря учитывать в планах сражений нападения с тыла. Хотя резервы Цезаря находились вне поля зрения, кажется странным, что Помпей не предвидел этой довольно очевидной стратегии: возможно, мы просто не располагаем какой-то информацией о подготовке битвы. Но, так или иначе, когда 9 августа 48 года до н. э. произошло сражение, уловка Цезаря полностью себя оправдала. Внезапно натолкнувшись на заграждения с колючими шипами, выставленные резервной линией, и на активное сопротивление пехоты Цезаря, которой был отдан приказ не метать копья, а наносить ими колющие удары, конница Помпея, вместо того чтобы окружить это неожиданно возникшее формирование, в панике отступила. После этого Цезарю было легко окружить противника с фланга и оттеснить его легионы. Солдаты Цезаря, несмотря на усталость и изнуряющую жару, двинулись вперёд и захватили вражеский лагерь, только что оставленный Помпеем, который бежал с поля битвы и скрылся в Греции. 15 тысяч его солдат были убиты, 6 тысяч из них были римскими гражданами. Потери Цезаря были незначительны. На следующее утро более чем 20 тысяч оставшихся в живых солдат Помпея капитулировали. Армия Помпея перестала существовать.

Помпеем овладел страх — его кавалерийские отряды, на которые он привык безраздельно полагаться, были разбиты. Помпей подозревал предательство, но в действительности он просто принял неправильное решение, хотя инициатива находилась в его руках. Цезарь, напротив, принял верное решение. Подавить такую неустрашимую пехоту Цезаря могла только такая конница, значительно превосходившая её по численности. Численность конницы Помпея была недостаточной. Кроме того, состав его армии был смешанным, и, хотя галлы и испанцы сражались стойко, рекруты из восточных провинций не оправдали его надежд.

Сражение при Фарсале началось неожиданно, разворачивалось стремительно и закончилось полным разгромом противника Цезаря. Правда, большинству соратников Помпея, не считая Агенобарба, который был убит в бою, удалось бежать, чтобы впоследствии продолжать борьбу. Однако сокрушительный разгром армии Помпея уничтожил равновесие сил в империи и явился переломным моментом истории.

Эта битва была самой кровопролитной из всех, которые когда-либо вели римляне между собой. Цезарь не упоминает о ней ни в одном официальном документе, и он не устраивал триумфа в честь этой пирровой победы. Тем не менее даже сейчас, помимо военного успеха, ему удалось нажить и политический капитал. Сражение ещё не было закончено, а Цезарю уже удалось набрать пропагандистские очки: он приказал своим солдатам сохранять жизнь своим землякам, и это лишило легионеров Помпея возможности сплотиться. Затем, достигнув вражеского лагеря, где Цезарь отобедал тем, что было приготовлено для его противника, он привлёк внимание приближенных к непристойной роскоши палаток Лентула и других военачальников — палаток, окружённых искусственными беседками и свежим дёрном, украшенных плющом и набитых серебряной посудой. Захватив корреспонденцию Помпея и Метелла Сципиона, он сжёг её не читая. Наконец, осматривая поле битвы, он произнёс слова, которые в дальнейшем часто повторялись в пропагандистских целях. Цезарь заявил, что если бы он не обратился к своей армии за помощью, то даже все его заслуги перед Римом не спасли бы его от народных проклятий.

Пристально глядя на груды мёртвых тел, Цезарь произнёс сакраментальную фразу: «Они этого хотели».

После бегства Помпея из Греции Цезарь захватил 10 вражеских военных кораблей в Геллеспонте (Дарданеллы) и высадился в Анатолии — необходимо было оплатить весьма дорогостоящее содержание его армий. К счастью, страна была достаточно богата, чтобы выдержать тяжкий груз наложенных контрибуций. Цезарь приказал передать ему все деньги, собранные для Помпея, кроме того, общинам рекомендовали делать добровольные взносы в золотых монетах. Чтобы это не выглядело вымогательством (Цезарь стремился дистанцироваться от печально известной репрессивной политики Метелла Сципиона во время похода на запад через эти территории), Цезарь сопровождал свои поборы мероприятиями, в значительной степени облегчавшими положение жителей провинций. Хотя средства были Цезарю крайне необходимы, он освободил провинцию в Азии от римских налоговых сборов, а вместо этого дал местным властям разрешение самим собирать фиксированный земельный налог. Таким образом, налоговое бремя было уменьшено на треть. Реформа ущемляла римских финансистов, но Цезарь пошёл и на это. Он считал, что принятый по его инициативе закон о долгах был достаточно большой уступкой финансистам и теперь можно было выдержать некоторое недовольство с их стороны.