Высадившись в Палесте, Цезарь двинулся на север вдоль побережья к Диррахию, однако Помпей сумел прибыть туда первым. Помпей медлил, тем самым упуская возможность использования своего численного превосходства. В это время Антоний, ускользнув от флота Помпея, соединился с войсками Цезаря в районе Тираны. Помпей, так и не сумевший помешать их соединению, отступил, преследуемый войсками Цезаря. Теперь Цезарь был готов принять сражение.
Обе армии расположились друг против друга на южном берегу реки Генуза, протекавшей южнее Диррахия. После непродолжительного затишья Цезарь совершил обходной семидесятикилометровый марш по холмистой местности и вышел в район между Диррахием и армией Помпея. Опасаясь обхода и разрыва связи со своей базой, Помпей снова отступил. Цезарь попытался окружить и блокировать армию Помпея, численно превосходившую его войска, однако полностью добиться этого так и не смог. По-прежнему обладая превосходством на море, Помпей обеспечивал свое снабжение продовольствием и мог перебрасывать войска в любой район Греции. Это позволило ему нанести удар по блокирующим его войскам и фактически прорвать цепь окружения. Попытка Цезаря отразить этот удар едва не закончилась его поражением. Но Помпей не использовал представившуюся ему возможность высадиться в Италии и восстановить свое господство в Риме.
В свою очередь, Цезарь предвидел эту возможность и потому решил вначале разгромить последнего союзника Помпея – Сципиона Наупса, высадившегося в Македонии. Помпей был вынужден последовать за Цезарем другим маршрутом. Несмотря на то что Цезарь подошел первым, он не стал бросать свои войска на штурм укрепления, а дождался соединения Помпея со Сципионом. Учитывая свою неудачу у Диррахия, Цезарь не пытался навязать бой Помпею на открытой местности. Однако и сам Помпей, хоть и имел почти двукратное превосходство в силах (40 тысяч), согласился дать сражение лишь под давлением своих помощников.
Битва при Фарсале началась раньше времени для Цезаря, силы которого были и так невелики (27 тысяч, из них 2 тысячи всадников против 6 тысяч всадников Помпея). Несмотря на численное превосходство противника, Цезарю удалось одержать победу, выйдя во фланг и тыл главных сил Помпея.
Помпей бежал, бросив свои войска. Цезарь преследовал его, пройдя через Дарданеллы, Малую Азию и Средиземное море до Александрии, где по приказу царя Птолемея XIII Помпей был убит. Цезарь был избавлен от значительных затруднений, однако он вскоре лишился достигнутого преимущества, вмешавшись в борьбу за египетский престол между Птолемеем и его сестрой Клеопатрой и потеряв на это восемь месяцев.