Наконец, в октябре 554 года обе армии сошлись у города Касилина на берегу реки Волтурны. Армия Нарсеса вдвое уступала франкской по численности, и Нарсес решил вновь победить врага более хитростью, нежели силой оружия. Стратег принял решение устроить диверсию в лагере франков и захватить обозы врага, армянский офицер Чарангез с отрядом сумел взять повозки и поджечь франкскую сторожевую башню на берегу реки, после чего франки приготовились к бою.
Армия франков состояла из тяжёлых пехотинцев, вооружённых боевыми топорами, у них почти полностью отсутствовала конница. Нарсес выставил в центре своих позиций тяжёлую пехоту, а кавалерию разместил на флангах, на левом крыле командовал отличившийся в сражениях с франками офицер Артабан, который подготовил «засадный полк».
Франки атаковали стремительно, их напор приняли на себя герулы, натиск оказался настолько сильным, что фронт стал потихоньку распадаться. В этот момент Нарсес ввёл в бой конных лучников и приказал усилить обстрел. Потери от града стрел, которыми осыпали франков византийцы, были очень велики, и франки начали отступать. После чего Нарсес приказал всем войскам перейти в наступление, отсутствие конницы стало для франков фатальным, кавалеристы Нарсеса рубили отступающих врагов на куски. Как пишет Агафий Миринейский, вся армия франков была уничтожена, спастись удалось лишь пятерым воинам, в то время как общие потери византийцев составили около 800 человек.
Однако это, скорее всего, выдумка, так как бегущих франков потом преследовал Артабан с отрядом конницы, а ещё часть войск противника засела в Вероне и Бриче, осада которых завершилась победой византийцев лишь в 562 году.
Таким образом, Нарсесу удалось сделать то, чего не смог прославленный Велизарий. Полководец смог одолеть Тотилу и уничтожить неимоверное войско франков. Теперь Италия принадлежала ему, Нарсесу, верному слуге своего императора.
После победы над готами и франками Нарсес остался в завоёванной им Италии и был назначен её наместником. Согласно указаниям Юстиниана, в Италии началось масштабное строительство: восстанавливались города и дороги, строились новые мосты, вновь начала процветать торговля. В Альпах и на севере полуострова Нарсес построил сеть фортов и крепостей для защиты от набегов франков, алеманов и лангобардов.
После смерти Юстиниана влияние Нарсеса стало постепенно угасать, взошедший на престол Юстин II, по наущению своей супруги Элии Софии, в 568 году приказал отозвать Нарсеса обратно в Константинополь.
Отношения Нарсеса и Софии были напряжёнными. В том же году он получил от императрицы подарок на свой юбилей 90 лет. Это была прялка. Скорее всего, София намекала на возраст Нарсеса, и что ему пора оставить все дела и заняться пряжей. Нарсес лишь ответил императрице, что она никогда не увидит его унижения. После оставления поста экзарха Нарсес удалился в своё поместье в Неаполе, где прожил ещё пять лет до своей кончины. Юстин II, хоть и не любил Нарсеса, но признавал его заслуги и приказал похоронить полководца со всеми почестями.