Цезарь поместил 10-й легион на правом фланге; а на левом — 8-й и 9-й, поскольку последний сильно поредел после сражения под Диррахием. На левом фланге он поручил командование Марку Антонию, на правом — Публию Сулле, в центре — Домицию Кальвину. Сам он находился против Помпея. Опасаясь того, чтобы его правое крыло не было обойдено превосходящими силами вражеской конницы, Цезарь, отобрав по одной когорте из каждого легиона третьей линии, образовал таким образом четвертую линию и предупредил воинов, что исход сражения, вероятнее всего, будет зависеть именно от них. Вместе с тем он запретил третьей линии идти в атаку до его сигнала.
Так как Помпей дал приказ ждать в строю, не двигаясь с места, нападения со стороны противника, дабы при этом фронт нападающих растянулся, то первый удар был нанесен пехотинцами Цезаря. Это произошло так. Одновременно с сигналом к наступлению Цезарь обратился к одному из своих опытных, лично ему известных центурионов: «Гай Крастиний, каковы у нас надежды на успех и каково настроение?» Тот громко отвечал: «Мы одержим, Цезарь, полную победу. Сегодня ты меня похвалишь живым или мертвым!» С этими словами он первый ринулся на врага, увлекая за собой солдат целого манипула.
Пока в центре развертывалось ожесточенное сражение пехотинцев, конница Помпея, как и следовало ожидать, потеснив более слабые кавалерийские части противника, начала обход незащищенного правого фланга Цезаря. Заметив это, Цезарь немедленно дал сигнал когортам специально образованной им четвертой линии. Они с такой яростью бросились на всадников, стремясь поражать их в глаза и лицо, что те не устояли и обратились в бегство. Стрелки и пращники, оставшись беззащитными, подверглись почти полному истреблению.
Собственно говоря, этой удачной атакой и был совершен решающий перелом в ходе боя. Для его закрепления Цезарь ввел в дело свежие войска третьей линии. Этого напора помпеянцы уже не смогли выдержать, и бегство стало всеобщим. Но в отличие от своего противника Цезарь не удовлетворился такой неполной победой и сумел добиться того, что его солдаты, изнуренные боем и жарой (сражение затянулось до полудня), тем не менее атаковали вражеский лагерь и ворвались в него.
Помпей, увидев, что его конница рассеяна, а те части, на которые он более всего полагался, обращены в бегство, пал духом настолько, что «походил на человека, которого божество лишило рассудка». Он удалился в палатку, предоставив дальнейший ход боя своему течению, и, только когда солдаты Цезаря уже проникли в самый лагерь, он очнулся, скинул с себя боевые доспехи и вместе с немногими друзьями через задние ворота лагеря ускакал по направлению к Лариссе. В лагере Помпея победители, к своему удивлению, увидели нарядные беседки, столы, уставленные серебряной посудой, пол в палатках был выложен свежим дерном, причем некоторые палатки, например Лентула да и других военачальников, были увиты плющом. Все недвусмысленно указывало на то, что накануне сражения у приближенных Помпея не было даже тени сомнения в успехе.