Первый этап боя – наступление легионов Цезаря, атака ими пехоты Помпея и бой конницы.

Легионы Цезаря стремительно бросились вперед, на полпути остановились для небольшой передышки, затем снова побежали, пустили копья и обнажили мечи. Легионы Помпея выдержали атаку, а затем пустили в ход свои копья и взялись за мечи.

В это время двинулись вперед находившиеся на фланге конница Помпея и легко вооруженная пехота, под натиском которых конница Цезаря стала отходить.

Второй этап боя – внезапная фланговая атака резервных когорт Цезаря и поражение конницы Помпея.

Казалось, что конница Помпея успешно преследует конницу противника. Но когда она вышла на линию шести когорт, скрытых Цезарем за своим правым флангом, она была внезапно атакована ими и одновременно контратакована с фронта конницей Цезаря, прекратившей отступление. Конница Помпея была разбита, его легко вооруженные пехотинцы перебиты, левый фланг пехоты из-за отсутствия резерва оказался необеспеченным.

Третий этап боя – атака армией Цезаря пехоты Помпея во фланг с одновременной атакой с фронта.

Разбив конницу Помпея, ударная группа Цезаря вместе с конницей атаковала пехоту противника во фланг. В это время стоявшей на месте третьей линии был дан сигнал броситься вперед. Легионы Помпея не выдержали комбинированной атаки с фронта и во фланг и бросились бежать к своему лагерю.

Когда Помпей увидел, что его конница разбита, он направился в лагерь, оставив на произвол судьбы свои легионы. Из лагеря он с личной охраной поскакал в Ларису, а затем к морю, где сел на корабль и отплыл сначала на остров Лесбос, а потом в Египет.

Легионы Цезаря с ходу атаковали лагерь противника и взяли его. Остатки армии Помпея отступили на близлежащую гору, а затем устремились к Ларисе. 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 пути отступления, а на рассвете остатки армии Помпея сложили оружие. Цезарь, по его собственным данным, взял в плен 24 тысячи легионеров, включая плененных в бою, в лагере и в редутах. Много помпеянцев, по его же сообщению, бежало в соседний город. Это никак не согласуется с названной Цезарем цифрой – 15 тысяч убитых.

Под Фарсалом исход боя фактически решил внезапный удар общего резерва армии Цезаря. Таким образом, резерв стал не только средством парирования случайностей, как это было раньше, но и средством достижения победы. Третья линия боевого порядка армии Цезаря также сыграла важную роль, оказавшись линией поддержки: она атаковала изнуренного противника с фронта, в то время как во фланг его атаковали конница и отборные когорты. Но такая комбинированная атака была возможна лишь при отсутствии резерва в боевом порядке Помпея и управления ходом боя. Помпей был только наблюдателем в первые этапы боя и, когда увидел неблагоприятный исход, скрылся в своем лагере. На его стороне было численное превосходство, к тому же он имел третью линию боевого порядка, силами которой можно было парировать обходный маневр когорт противника. Но Помпей не использовал имевшихся у него возможностей для нанесения поражения легионам Цезаря.