Зная тактику армян, Лукулл направил первый удар по их тяжелой коннице, приказав рубить мечами голени конников, так как ноги были единственным местом, не защищенным броней, и отбивать копья – единственное их оружие. Римлянам было приказано как можно скорее ввязаться в рукопашный бой, к которому армяне не привыкли, действуя издали, при помощи стрел. Сам Лукулл шел в первых рядах римлян, воодушевляя своим примером бойцов и придавая им уверенности в победе. Римлянам победа далась легко: тяжелая армянская конница обратилась в бегство почти сразу, а из-за большого скопления войск армяне не могли отступить, смешали все ряды и оказались добычей для войска Лукулла. В ходе сражения римляне потеряли ранеными 100 и убитыми 5 человек. Противник потерял свыше 100 тысяч пехотинцев и почти всех всадников. Царь Тигран бежал, а вскоре был взят приступом и Тигранакерт, где римские воины нашли богатую добычу.
Дав небольшой отдых солдатам, Лукулл отправил войско вдогонку за Тиграном. Армяне пытались избегать столкновений с римлянами, но когда этого не удавалось сделать, то победа всегда сопутствовала войску Лукулла. Вскоре римляне двинулись к Артаксате – столице Великой Армении. Тигран попытался остановить римлян в двух километрах от столицы у реки Арсаний. Битва при Артаксате была также выиграна Лукуллом. Путь на столицу Великой Армении был свободен.
Воодушевленный новой победой Лукулл рвался вперед. Но только он. Солдаты устали от затянувшейся войны и стали выражать протест. А тут еще природа пришла на помощь Тиграну. Неожиданно наступило сильное похолодание, снег сыпал беспрестанно, мороз сковал реки. Напрасно Лукулл просил воинов перетерпеть лишения и обещал скорую победу. Все его доводы наталкивались на глухой ропот войска, который мог в любой момент перерасти в открытый бунт. Так и не дойдя до столицы, Лукулл был вынужден повернуть назад.
Вернувшись в теплые края, солдаты не желали больше воевать и требовали скорейшего возвращения на родину. Этим воспользовался Митридат, следовавший за римлянами и очищавший от гарнизонов понтийские города. Активизировался и Тигран, начав продвижение на юг с новым многочисленным войском. Да и в Риме активизировались недоброжелатели Лукулла и стали обвинять его в измене, доказывая, что он умышленно затягивает войну с целью личного обогащения.
В 67 году до н э. Лукулл был отстранен от командования войском и управления восточными провинциями. Сменил Лукулла Помпей, которому оставалось лишь закончить то, что было уже сделано Лукуллом, – лучшие войска Митридата уже были разгромлены, а понтийский флот уничтожен. Встреча Лукулла и Помпея для передачи дел началась весьма мирно и дружелюбно, но затем отношения двух полководцев заметно испортились. Помпей не желал признать военные заслуги Лукулла, отобрал у него всех солдат и запретил подчиняться его приказам. Даже награждать и наказывать подчиненных Лукуллу было не дозволено.