Однако в 52 году до н э. в Галлии вспыхнуло новое, более тщательно подготовленное восстание. Все галльские племена достигли между собой договоренности о совместном выступлении. Во главе восстания встал вождь племени арвернов Верцингеториг.
В момент начала восстания Цезарь находился в Северной Италии, вдали от своих главных сил. К тому же римские войска были разбросаны по всей Галлии, что затрудняло подавление восстания. Отряды Верцингеторига быстро заняли несколько римских крепостей и прервали связь между отрядами Цезаря. Однако Цезарь сумел собрать войска в единую группу и начать борьбу с галлами. Вначале он направил свой главный удар против крепости Авирика, где находились главные силы Верцингеторига. Осада Авирика продолжалась несколько месяцев. Цезарь сумел принудить ее к сдаче лишь с помощью голода. Однако Верцингеториг удерживал еще несколько сильных и хорошо укрепленных крепостей, в которых хранились большие запасы продовольствия. Галлы по-прежнему были готовы сражаться, и Цезарю вновь пришлось дробить свои силы.
Четыре легиона (20 тысяч) во главе с Лабиеном были посланы на север, а сам Цезарь вместе с шестью легионами (30 тысяч) двинулся к Герговии, около которой стояли галлы под командованием Верцингеторига. Несмотря на все попытки Цезаря овладеть Герговией, галлы продолжали сопротивляться, и Цезарь, понеся большие потери, отступил. Это крайне неблагоприятно повлияло на отношения остальных галльских племен к Риму, авторитет которого стал падать в их глазах.
Цезарь вновь сгруппировал свои силы и повел преследование армии Верцингеторига. Он вступил в контакты с вождями германских племен и нанял у них людей для своей конницы, которая смогла противостоять коннице галлов. Верцингеториг попытался вступить с Цезарем в сражение, но потерпел полное поражение. Вождю галлов пришлось вернуться к своей прежней тактике и начать наносить удары по римским тылам, опираясь на хорошо укрепленные крепости.
Главным центром галльского сопротивления стала Алезия, вокруг которой были возведены мощные укрепления. Вскоре после начала осады Алезии Цезарем на помощь осажденным пришла новая галльская армия, которая, в свою очередь, окружила войска Цезаря. Борьба была жестокой и кровавой, но в конечном итоге завершилась победой Цезаря. Падение Алезии привело к тому, что галльское войско разбежалось, а сам Верцингеториг сдался Цезарю, был доставлен им в Рим, где был казнен во время одного из его триумфов.
Опасаясь повторения восстания, Цезарь предпринял целый ряд мероприятий по умиротворению местного населения. На протяжении нескольких лет Галлия не объявлялась провинцией Рима, а галльское население считалось союзным Риму. Сбор налогов осуществлялся представителями местной знати из проримски настроенных людей. Знатные галлы получили от Цезаря земли, рабов и права римского гражданства. На плодородных землях Галлии были основаны римские колонии, постепенно галльские крепости превращались в римские города.