公元前331年9月初，亚力山大在完全平定埃及以后，终于率领大军从叙利亚北部进入两河流域，向波斯腹地进军。经过两年征战，亚力山大此时控制了孟菲斯（Memphis）、萨迪斯（Sardis）、大马士革等名城，财力已是今非昔比。他将大量金银运回马其顿，用来招募更多的部队。大约1万5千增援部队在亚力山大东征途中赶来会师。这样高加米拉战役之前亚力山大的兵力有所增强，总共将近5万人。其中步兵有4万人，包括重装步兵1万8千人；骑兵7千人，包括近卫骑兵2千人。
和二百多年以后进军波斯的克拉苏不同，亚力山大选择行军路线时非常谨慎，他渡过幼发拉底河以后并没有立刻南进，而是继续向东渡过底格里斯河，然后沿着库尔德山脉南行，这样就避开了幼发拉底河上游的沙漠地区。为了保障自己的后勤补给线，亚力山大在行军路线上筑城3座，并部署了卫戍部队。马其顿大军一路上都有波斯轻骑远远跟随，不用说那是大流士的侦查部队。波斯王显然想诱敌深入，马其顿大军安然无恙渡过两河，没有遭遇任何抵抗。大流士这个策略相当务实，波斯军队有数十万众，粮草消耗惊人，离巴比伦越近后勤供给的压力就越小；相反马其顿军队劳师袭远，越深入两河流域腹地，后勤供给的压力就越大。
同伊苏斯战役前指挥若定、成竹在胸的那个波斯王相比，此时的大流士俨然判若两人。伊苏斯战役的失败固然严重动摇了大流士的声誉，包括太后、王后、和王子在内的所有王室成员落入敌手，这对大流士的自尊心和荣誉感有致命的打击。亚力山大敏锐地察觉到这一点，他将波斯王室一直带在身边当作人质，并以礼相待。在高加米拉战役序幕阶段的一系列心理较量当中，亚力山大以征服者居高临下的姿态，傲慢地两次拒绝波斯王割地赔款赎回人质的建议，非常成功地重挫大流士的自信心，期望大流士对亲人的牵挂焦虑干扰他对战役的策划指挥。高加米拉战役前夕的大流士内心承受着巨大的压力，寄希望于一场决战来挽救自己的帝国、家人、和尊严，这必须是一场光明正大、完美无缺的胜利，因为任何瑕疵都将使大流士无法洗尽耻辱，完成自我救赎。
然而在高加米拉战役前发生的一起天文现象，就已经决定了这场战役的结果。古典史料记载，在战役爆发前11天出现了月食现象。现代科学家经过计算，将这次月食时间定为公元前331年9月20日。古巴比伦「天文日记」 这样记载：「大流士5年乌吕卢月第13天有月全食，月亮完全变黑，挡住了木星，四指以外的土星可见。月食完全时，西风劲吹；月亮重现时转为东风」。
月食发生时，马其顿大军刚刚渡过底格里斯河，而波斯大军正在南面100公里的地方严阵以待。古典史料记载，当晚马其顿大营乱成一团，马其顿士兵奔走呼号，埋怨亚力山大把他们带到天涯海角，攻打别人的国度，导致天神盛怒，遮掩了月亮的光辉。亚力山大指使军中的祭司亚里斯坦德（Aristander）出面，声称希腊人崇拜太阳神阿波罗，波斯人崇拜月亮女神阿斯塔特（Astarte），因此月食是不利于敌方的征兆，这样才勉强平息了众人的恐慌。几天以后的夜空出现流星雨，不用说这又使马其顿人惶恐不安，亚力山大不得不下令就地扎营，整整四天按兵不动。
月食当晚波斯大营同样一片恐慌气氛，不幸的是大流士面对这种局面丝毫无能为力。古巴比伦的天文学家数百年来一直用天象来预测国家大事，根据他们的经书，这次月食是波斯王亡国的征兆；月食当中劲吹的西风，表示征服者将从西方来；月食完毕以后转东风，表示战败者必须逃向东方才得保全。古巴比伦的天文学类似中国古代的易经，是波斯贵族的必读科目，波斯人对此深信不疑。月食出现的那天，所有对天文略知一二的波斯贵族，包括大流士本人，都明白波斯帝国大势已去。
大概基于这个原因，大流士在9月24日派特使求见亚力山大，第三次提出停战请求，愿意割让幼发拉底河以西所有的波斯领土，赔款3万塔伦黄金，以及将一位公主许配给他作为条件。因为兹事体大，亚力山大召集将领开会，当场宣读了大流士的来信。以帕马尼奥为首的在场大多数马其顿将领表示大流士的提议可以接受，帕马尼奥对亚力山大说：「我要是亚力山大，就会接受这些条件」。 亚力山大丝毫不留情面地反唇相讥：「我要是帕马尼奥，自然会接受这些条件」。对于野心勃勃的亚力山大来说，他心目中的战利品是整个波斯帝国，而不是区区西面一隅。
罗马史学家科丘斯记载，当大流士得知亚力山大再次拒绝了他的求和，悲愤呼喊：「亚力山大，我到底对你犯了什么不可饶恕的大罪？难道你的哪一位亲人为我所杀，因此我的暴行应得这样的惩罚？」此时的大流士，真可谓呼天不应，呼地不灵。几天以后，大流士举行战前阅兵，面对数十万大军说道：「你们坚定不移的忠诚，让我相信我依然是你们的国王」。他随即号召大家为自己的亲人和祖先的墓地而战：「我们将为生存而战，你们的父母妻子将如同我的家人一样落入敌手，除非你们以自己的血肉之躯横亘在敌人面前，保卫亲人的自由」。这一席话充分体现了大流士战前绝望沮丧的心境，也间接折射出整个波斯大军低落的士气。
高加米拉之战，亚力山大面对的是一支数量众多，装备精良，但人心涣散，抵抗意志薄弱的波斯大军，他们已经不再奢望胜利，只想为波斯王最后一次尽忠效力。 公元前331年9月24至25日，在渡过底格里斯河以后，马其顿侦查骑兵很快发现了波斯大军的踪迹，亚力山大立刻领军沿底格里斯河东岸急速南下。与此同时，大流士派巴比伦总督马扎依（Mazaeus）率领3千骑兵北进6公里占据一座高地，监视亚力山大的动向。9月25日傍晚，马其顿大军在距离波斯大营10公里的地方扎营。虽然从马其顿大营看不到波斯军队，但波斯人马的喧嚣清晰可闻。入夜，波斯营地的灯火照亮了南方的天空，碰巧此时夜空突现流星雨，四下飞散，望去犹如在天边闪烁的篝火。马其顿士兵误以为身陷波斯重围而惊恐万状，亚力山大不得不下令加固营垒，此后4天按兵不动以稳定军心。罗马史家科丘斯认为，如果此时在附近监视的马扎依趁机率骑兵突袭，必能重创马其顿大军。可惜忠于职守的马扎依未能抓住这个战机。
9月30日清晨，马其顿大军拔营，组成战斗阵形向波斯大军逼近。马扎依完成监视任务，领兵撤回本部。大流士认为亚力山大准备即日决战，也命令波斯大军进入预定战场，摆出一个正面宽达八公里的巨阵。正午时分，马其顿大军进占马扎依此前盘踞的高地，从这里向南望去，广袤的平原上黑压压地遍布波斯军队，人喧马嘶，盔甲闪亮，长矛如林，令人触目惊心。马其顿官兵见此景象瞠目结舌、面面相觑，亚力山大虽然一向天不怕地不怕，此时也不禁忧心忡忡。他破天荒地下令暂缓进攻，就地扎营。下午，亚力山大派出轻骑仔细勘查战场，并亲自靠近观察大流士的排兵布阵。高加米拉战役的开局阶段，亚力山大表现出前所未有的小心谨慎。
当晚，亚力山大召开战前准备会，征求诸将的意见。老成持重的帕米尼奥认为马其顿官兵此时军心不稳，士气不振，不宜与波斯大军光天化日下决战。他提议发动夜袭，因为在黑暗中马其顿将士只能感受到身旁战友的簇拥，看不见敌人庞大的数量，这样有助于保持士气；而波斯军队来自五湖四海，相互语言不通，在黑暗中很难指挥调度，更容易被击溃。在场的马其顿将领几乎都支持帕米尼奥的提议，可见面对波斯兵力的绝对优势，马其顿官兵此时极其缺乏信心。亚力山大非常干脆地否决了帕米尼奥的想法，表示自己不屑于「偷窃一场胜利」；再则探马报告波斯大军并没有回营，而是留在战场上保持战斗队形原地休息，阵线前沿遍布游动哨兵和篝火，这种情况下夜袭是不可能奏效的。
鉴于恐慌气氛遍布军营，亚力山大接受祭司亚里斯坦德的建议，换上白色的礼服开坛祭拜众神之神宙斯和战神雅典娜，祈求保佑。仪式完毕以后，亚力山大回到中军大帐就寝，他苦思冥想破敌良策，在脑海中推演了4、5个作战方案，直到被疲倦征服而坠入梦乡。这天晚上马其顿将士提心吊胆怕波斯人前来偷袭，因此睡得并不安稳。俗语说得好，麻秆打狼，两头害怕。大流士也担心马其顿军队前来夜袭，因而让他的部队整夜保持战斗队形高度戒备。波斯士兵枕戈待旦，疲惫困顿地望着天边渐渐现出鱼肚白，听见远处马其顿的大营传出集合的号角声。这是公元前331年10月1日的清晨，而波斯大军中将有4万多人的生命在这一天走到尽头。
天亮以后马其顿将士惊骇地发现，一向非常警醒、总是最早起身的亚力山大居然没有出现在帐外。于是众人交头接耳，都猜测亚力山大由于恐惧临阵退缩，不敢出帐。最后帕米尼奥不得已进入亚力山大的帐篷，发现他正在酣睡，连声呼唤而不应，只得用手将亚力山大推醒。面对帕米尼奥等人的询问，亚力山大回答说：「你们以为我心里没有想好对策以前，能够安然入睡吗？当大流士实行焦土抗战，坚壁清野之时，我绝望得不知所措；现在他准备同我决战，我还有什么可担心的呢？天哪，我的祈祷已经得到神的回应！你们都回到各自的岗位去，我马上给你们具体的指令」。嘹亮的号角声随即响起，马其顿官兵迅速出营列阵，只留下数千色雷斯轻装步兵守卫辎重马车。
马其顿军队按照惯例布阵。老将帕米尼奥率领6个密集阵15,000重装步兵组成中央阵营，方阵之间的距离相当宽敞，这样就有足够的空间变换阵形；左翼主力是2,000特萨利重骑兵，他们右边是一个营的希腊联盟重骑兵300人，左侧是1,000希腊雇佣军步兵；亚力山大亲率2,000近卫骑兵在右翼打头阵，他的左边依旧是3,000精锐的近卫步兵。在阵线前沿亚力山大部署了数千游击步兵组成的散兵线，他们的任务是遏制波斯战车的冲击。因为马其顿阵线的长度勉强和波斯中央方阵等齐，而波斯骑兵组成的宽大两翼对马其顿军队形成包围之势，亚力山大在两翼的侧后方各部署了4个营的骑兵约1,200人，轻、重骑兵各占一半，斜向外组成侧卫线，兵力布置前轻后重形成防守纵深。因为估计到自己的右翼将成为波斯军队攻击的重点，亚力山大给右翼侧卫部队加强了500名弓箭手和500名标枪手。另外在第一线部队后面约1公里的地方，亚力山大部署了第二道阵线，由大约15,000希腊联盟步兵组成，这道防线的特别之处在于面向后方排列，显然是为了防备波斯骑兵的大纵深迂回包抄。部署完毕的马其顿战阵呈一个空心的梯形阵式。
由于战后大流士的作战序列被马其顿军队所获，古典史料留下了波斯阵线的详细资料。大流士充分利用宽广的战场地形，排列出一个长达8公里的巨阵。波斯王矗立于一辆金碧辉煌的战车上在中央压阵，他身边是3,000忠实的禁卫军，步、骑各一半；两侧排列伊苏斯战役幸存的2,000希腊雇佣军；波斯中央阵线还包括印度骑兵和马迪亚弓箭手数千人；中央阵线前面是五十辆战车和十五头印度战象（显然战象并没有在战斗中起到任何作用）。波斯将领率领各自的部队组成两翼，巴克陲亚（Bactria,今阿富汗）总督拜苏（Bessus）带领16,000来自中亚草原的骑兵组成左翼，在左翼前沿大流士部署了100辆战车和2,000塞提亚（Scythian）铁甲骑兵组成的突击集团，他们的目标显然是亚力山大统帅的马其顿右翼。巴比伦总督马扎依指挥的波斯右翼由16,000来自叙利亚、美索不达米亚、和伊朗高原的骑兵组成，右翼前沿是50辆战车和2,000亚美尼亚铁甲骑兵组成的突击方阵。数十万巴比伦和阿拉伯步兵在后面组成第二道阵线，但显然他们的战斗效能可以忽略不计。
福勒总结此战双方统帅的战术构想，大流士是“两翼包抄”，亚力山大是“中央突破”。他认为波斯方面的致命弱点是中央阵线缺乏坚强可靠的步兵部队，波斯阵线的机动性无与伦比，但极其缺乏稳定性，因此没有多少抗打击能力。但是此战大流士根本没有做防守的打算，他坚信在波斯骑兵和战车强大的攻势下，马其顿军队只会疲于招架。波斯骑兵对马其顿两侧的集群攻击，如同老鹰的两支利爪抓住猎物的头尾用力撕扯，马其顿战线将很快分崩离析，然后波斯军队全线出击，以优势兵力将敌人分割包围，逐个歼灭。亚力山大洞察大流士的意图，他的构想就是将计就计，三面防守，一点突破。马其顿军队在两翼顽强的防守阻击，调动越来越多的波斯军队向两翼纵深迂回包抄，然后等待波斯中央阵线出现缺口发动致命一击。此战大流士和亚力山大的战术构想可说难分高下。事实上，两人的战役企图都得以实现，而且波斯的胜机率先出现，只可惜大流士未能把握得住。
大流士对波斯战车寄予厚望。波斯阵线前沿部署的左右两个突击集团，都是以卷镰战车为攻击箭头，后面配备两千铁甲骑兵。大流士的构想是把冲击力强劲的波斯战车当作铁锤，砸开马其顿密集阵正面由盾牌和长矛组成的坚硬外壳，紧跟其后的铁甲骑兵从缺口高速突入，猛攻方阵内部脆弱的裸露部位，最后摧毁马其顿方阵。这个战术构想和二次大战德国装甲战颇有相通之处。亚力山大看穿了大流士的心思，他率领马其顿阵线向右前方移动，各个方阵依次前进，形成一条斜线。因为马其顿军队渐渐离开了大流士为了使用战车特意铲平的战场，大流士立刻命令左翼前沿战车突击集团的两千铁甲骑兵出击拦住马其顿军队的去路。这是此战大流士犯的第一个错误。失去铁甲骑兵支持的战车，打开缺口以后无力扩大战果，因此威力大减。
因为马其顿阵线向右前方运动，其右翼侧卫部队成了先导，结果遭到波斯铁甲骑兵的迎头痛击。排在最前面的300希腊雇佣军骑兵抵挡不住，溃退下来，后面的900骑兵和1,000轻步兵立刻顶了上去，暂时稳定住了战线。波斯左翼统帅拜苏看到马其顿侧翼兵力虚弱，马上调遣大批骑兵前来增援，显然想从这里突破马其顿战阵。亚里安写道：“亚历山大的骑兵部队伤亡惨重，不但因为波斯骑兵的数量优势，还因为他们人马都披挂铠甲，防护效果很好。马其顿人浴血奋战，各个骑兵连以严整队形连续发动短促突击，打乱了敌人的阵形。”
随后赶到的波斯骑兵见战局僵持，就向纵深前进，企图迂回到马其顿侧卫部队的身后。马其顿骑兵立刻跟随前进，阻止波斯人的迂回包抄，一时间双方骑兵并驾齐驱，如同赛跑一般。马其顿阵线的右翼侧卫线因此越拉越长，兵力吃紧，亚历山大不得不调遣二线部队前来加固右侧防线，马其顿第二道防线不断增援右侧的结果，就是整体右移，失去了同左侧的联系。这样波斯左翼骑兵的大范围扯动，已经导致马其顿防线出现了第一个缺口。
大流士看到左翼骑兵进展顺利，认为决战时刻已经来临，于是命令两翼骑兵全线出击。马扎依统帅的右翼骑兵部队立刻扑向坠后的马其顿左翼，从正面和侧面发动集群冲击，并派出3,000精骑向纵深穿插，目标直指马其顿大营。与此同时，波斯的战车突击集团也开始向马其顿密集阵发起冲击。亚力山大显然对波斯战车早有研究，部署的散兵线正是它们的克星。波斯战车铁轮滚滚，在巨大的轰鸣声中疾驰而来，马其顿游击步兵们灵巧地躲过正面冲击，在其侧面跟随奔跑，步兵们几人一组分工协作，有的用盾牌抵挡波斯战车兵的长矛，有的用标枪攻击缺乏铠甲防护的役马肋部和车夫。大多数波斯战车没有冲到密集阵前就失去行动能力。马其顿步兵方阵训练有素，让出一条条通道避开剩余的波斯战车，这些战车全部被马其顿后卫部队缴获。虽然古典史料没有具体说明，但马其顿阵线向右移动，已经偏离波斯右翼战车方阵的攻击线路，而冲锋的波斯战车并没有骑兵支持，因此我们几乎可以肯定这是部署在波斯中央和左翼前沿的战车部队。
波斯右翼骑兵对马其顿左侧的迂回扯动也迫使后者不断延伸防线，受其牵连左翼的特萨利骑兵不得不左移以保持防线完整，这样又带动他们右边的马其顿密集阵第5、6方阵左移。密集阵右边的前4个方阵面临两难选择，是跟随左移，还是原地不动。跟随左移将暴露亚历山大近卫步兵的侧翼，原地不动则会造成密集阵的脱节。根据亚历山大的战前部署，密集阵前4个方阵的任务是配合右翼，因此第4方阵指挥官美利格毅然决定按兵不动。这样密集阵战线很快脱节，波斯右翼骑兵的迂回扯动又将马其顿阵线撕开了第二个缺口。大流士看到马其顿密集阵洞开，立刻派遣波斯中央阵线的禁卫军骑兵和印度骑兵从缺口高速突破。马其顿阵营正承受着两翼波斯骑兵强大的压力，此时又被劈成两半，而突破的波斯禁卫军无论从后面攻击哪一侧的马其顿阵线，都会导致其迅速崩溃。看起来波斯阵营已经胜利在望了。
然而不可思议的事情发生了，突破密集阵的波斯骑兵并没有从背后攻击马其顿阵线，而是高速穿过第二道防线左侧的缺口，直扑马其顿大营。显然波斯禁卫军得到大流士的明确指令，不惜代价解救他的母亲和儿女。战前亚历山大对大流士的心理刺激终于奏效，对亲人的牵挂果然使波斯王在关键时刻失去理智，将胜利拱手相让。波斯禁卫军同马扎依派遣的3千精骑汇合，轻易驱散了看守马其顿大营的色雷斯步兵，然后开始劫掠辎重马车，寻找王室成员。根据古典史料记载，当大流士的母亲从仆人那里得知波斯军队大获全胜，觉得难以置信，居然拒绝跟随波斯救兵离开大营。无论如何，大营失陷沉重打击了马其顿官兵的士气，帕米尼奥派人请示亚历山大如何应对，亚历山大回答说：「告诉帕米尼奥，不要在乎一点后勤物资的得失，如果我们赢得胜利，连波斯人的大营也将属于我们」。
马其顿军队从来没有经历过如此糟糕的局面，不但两翼被敌人迂回包抄，阵线中央被敌骑突破，连大营也失陷敌手。马其顿官兵的抵抗意志已经到达崩溃的临界点。就在此时奇迹发生了。根据古典史料记载，一支苍鹰突然飞临马其顿阵线右翼上空，在亚历山大的头顶盘旋。祭司亚里斯坦德立刻跳上一匹战马，沿着马其顿阵线奔驰，大声呼唤：「看那支盘旋的鹰，这是马其顿胜利的征兆！」后世史学家大多认为「盘旋的鹰」其实子虚乌有，很可能是亚里斯坦德为了振奋马其顿官兵的士气编造出来的。高加米拉战场是松软的砂土地，数十万人马几个小时的混战势必扬起漫天尘土，这种能见度下马其顿官兵根本无法看到一支低空盘旋的鹰。无论如何，显然这个征兆极大地鼓舞了马其顿将士的士气，原本已经摇摇欲坠的马其顿阵线突然坚挺起来，第二线的希腊联盟步兵甚至反攻大营成功，将波斯骑兵驱逐出去。
当马其顿军队和波斯骑兵以及战车激战之时，亚力山大和他的2千近卫骑兵一直按兵不动，等待战机。大流士下达总攻命令以后，波斯左翼骑兵倾巢而出。不知为何他们并没有攻击亚历山大领衔的近卫骑兵方阵，而是一起涌向激战正酣的马其顿右侧防线，让后世史学家大惑不解。福勒提出了几种可能性，也许波斯将领误解了大流士的命令；或者波斯骑兵攻击近卫骑兵方阵时遭到马其顿散兵弓箭和标枪的袭击，下意识地向左规避，结果不由自主地卷入马其顿右侧的混战。波斯左翼骑兵的全部出动，使左翼和中央方阵的接合部出现缺口，拱卫大流士的希腊雇佣军方阵的侧翼暴露出来，亚力山大等待已久的战机终于出现了。
亚力山大立刻率领近卫骑兵以楔形向波斯希腊雇佣军的侧翼猛冲过去，而3千近卫步兵在左侧紧紧跟随，马其顿密集阵右边4个方阵也依次前进，形成一道斜线，从正面攻击波斯中央阵营。接下去战局的发展和伊苏斯战役同出一辙，希腊雇佣军在来自两面的夹击下崩溃，将大流士和他的禁卫军步兵暴露在马其顿骑兵的锋芒之下。亚力山大在一群近卫骑兵的簇拥下很快冲到大流士战车近前，在这里遭遇波斯禁卫军的拼死抵抗，每前进一步都必须斩杀数人。此时亚力山大和大流士相距大概只有三十米，因为根据希腊史学家迪奥多罗记载，两人几乎同时向对方投掷出一支标枪，都没有命中目标，但大流士的车夫被亚力山大投出的标枪击毙。 古典史家对下面发生的事情众说纷纭。亚里安和普鲁塔克记载，大流士看到车夫毙命，魂飞魄散，再次跳上一匹快马逃之夭夭，而波斯王的逃遁导致整个波斯阵线的崩溃。科丘斯和迪奥多罗则提供了一个更加合乎情理的描述：由于战场上漫天的沙尘，大流士近旁的波斯官兵只能模糊地看到波斯王战车上有人被标枪贯穿身亡，都以为中枪的是大流士本人，立刻迸发出一片哀嚎之声。然后整个波斯左翼莫名其妙地溃退，引发雪崩效应，波斯中央阵营也很快溃不成军。据科丘斯记载，大流士拔出弯刀打算自尽，又不忍心抛弃战场上依然浴血奋战的波斯将士，犹豫片刻以后不得不在众人的簇拥下撤离。由于亚里安和普鲁塔克的著作影响较大，近现代史学家大多倾向于大流士率先逃离战场的说法。
古巴比伦天文日记则提供了这样的记录：「乌吕卢月第24天早晨，世界之王（指亚历山大）竖立起他的战旗。两军激烈交战，（波斯）王的士兵遭受惨败。部队抛弃了他们的王，撤回各自的城市。他们向东部逃遁」{这个来自波斯方面的唯一记录，显然印证了科丘斯和迪奥多罗的记载。天文日记所谓「部队抛弃了他们的王」，无疑是指波斯左翼部队率先溃退。当时波斯左翼两万骑兵对阵数千马其顿侧卫部队，占据明显优势，绝对没有溃败的道理，唯一合理的解释，就是左翼统帅拜苏下令全线撤退。大概拜苏远远看到大流士周围的混战，听到波斯禁卫军的哭喊声，断定大流士不幸阵亡，战斗已经失去意义，于是下令撤军。
波斯左翼和中央阵线溃败的时候，马扎依统帅的右翼骑兵在这一侧几乎取得了胜利。波斯骑兵同时从马其顿左翼的正面和左侧发动进攻，亚美尼亚铁甲骑兵以密集队形一次又一次地冲击马其顿方阵，并不断向侧后迂回。帕米尼奥看到局面异常被动，派人向亚历山大请求援助。帕米尼奥征战五十载，以见多识广、临危不惧著称，此时破天荒地求援，可见马其顿左翼的确危在旦夕。亚历山大得信以后，不得不放弃对大流士的追击，领军驰援左翼。正巧奔袭马其顿大营的数千波斯骑兵原路返回，和行进至半途的亚历山大近卫骑兵狭路相逢，于是爆发了本次战役最激烈的骑兵战斗。双方都是精英部队，波斯骑兵急于夺路而逃，而亚历山大的近卫骑兵着急救援同伴，于是展开殊死搏斗，在此阵亡的近卫骑兵就有60人，而伤者数百。最后这股波斯骑兵杀出一条血路得以逃生。
等亚力山大摆脱波斯骑兵的纠缠，到达马其顿左翼时，战局已经发生逆转。大流士败退的消息很快传到波斯右翼兵团，马扎依立刻领军撤向巴比伦，高加米拉战役落下帷幕。古典史料对波斯军队此战的阵亡人数说法不一，最保守的科丘斯也估计有4万人，其中绝大多数死于逃亡途中。马其顿军队阵亡500人，伤者不计其数。几天以后，巴比伦总督马扎依投降，亚力山大兵不血刃进入这个千年古都，被加冕为「亚洲之王」。
