После этой схватки Цезарь принял решение двигаться в глубь Фессалии против сторонника Помпея Сципиона. Между сторонниками Помпея возникли разногласия. Часть из них считала, что Цезарь бежит, и предлагала его преследовать, часть считала, что пора возвращаться в Италию. Многие уже стали делить государственные должности. Сам Помпей медлил. Он опасался встретиться с многоопытными воинами Цезаря в открытом бою, надеясь на то, что армия противника будет истощена длительной войной, недостатком продовольствия и тяготами походной жизни и в конце концов распадется сама.
Но, уступив нажиму со стороны своих сторонников, Помпей начал преследование.
Между тем Цезарь захватил фессалийский город Гомфы и смог, тем самым, накормить свою армию.
5 июня 48 года до н. э. оба войска расположились лагерем на Фарсальской равнине. Силы были не равными. Под началом Помпея находились семь тысяч всадников и сорок пять тысяч пехотинцев. Цезарь располагал всего одной тысячей всадников и двадцатью двумя тысячами пехотинцев. Единственным преимуществом Цезаря было то, что его войско состояло из опытных воинов, прошедших Галльскую войну.
Утром 6 июня Цезарь собирался двинуться дальше, но тут разведчики доложили, что войска Помпея строятся в боевом порядке. Цезарь, дабы его солдаты во время предстоящей битвы не надеялись на отступление в лагерь, приказал срыть укрепления.
Почти всех своих всадников Помпей сосредоточил на левом фланге, против прославленного десятого легиона, в рядах которого сражался сам Цезарь. Увидев это, Цезарь поставил позади десятого легиона три тысячи опытных воинов-пехотинцев. Конница Помпея представляла собой цвет аристократической римской молодежи. Зная об этом, Цезарь приказал пехотинцам метать копья не в ноги врагам, как поступали в таких случаях обычно, а в лицо. Расчет оказался верен. Когда конница Помпея пошла в атаку, по сигналу Цезаря его всадники неожиданно отступили, а пехотинцы двинулись на врага, бросая копья в лицо противнику. Молодые воины, особенно опасавшиеся за свою внешность, не выдержали и бросились бежать. Не обращая внимания на бегущих, десятый легион двинулся против пехоты Помпея и тоже обратил ее в бегство.
Догадавшись по облаку пыли о поражении своей конницы, Помпей полностью потерял контроль над собой. Забыв о том, что он — Помпей Магн, он перестал отдавать распоряжения своим войскам и медленно побрел в лагерь. Там он молча сидел в своей палатке и только, когда вслед за бегущим войском в лагерь ворвались преследователи, произнес: «Неужели уже дошло до лагеря?» Затем он снял одежду полководца, вскочил на коня и вместе с небольшой группой друзей пустился в бегство. Тут надо отметить чрезмерную самоуверенность сторонников Помпея. Вступив в лагерь помпеянцев, солдаты Цезаря обнаружили, что там все уже готово для празднования победы. В этой битве погибло около шести тысяч солдат Помпея. Потери Цезаря были незначительными и составляли, по некоторым данным, только 200 человекубитыми.
В сопровождении небольшого количества спутников Помпей достиг Темпейской долины, находящейся невдалеке от Эгейского моря. На рассвете, переночевав в рыбачьей хижине, беглецы поднялись на борт небольшого речного судна, вышли в море и поплыли вдоль берега. Вскоре им повстречался большой торговый корабль, принадлежавший римлянину Петицию. Он не был сторонником Помпея, но в лицо полководца знал. Накануне Петицию якобы приснился Помпей, который явился в жалком виде и заговорил с ним. Матрос доложил о приближении речного судна как раз в тот момент, когда Петиций рассказывал спутникам об этом сне. По виду Помпея Петиций догадался о случившемся и без лишних слов пригласил беглецов подняться на борт.
Забрав жену, Корнелию, и сына с острова Лесбос, Помпей продолжил плавание и вскоре прибыл в памфилийскийЩгород Атталию. Здесь к Помпею присоединилось несколько триер и небольшое количество воинов. Помпей узнал, что Катон во главе большого войска переправился в Африку, а флот до сих пор находится в его распоряжении. Стало понятно, что еще не все потеряно. Но прежде чем собирать силы для продолжения борьбы, Помпею нужно было найти надежное убежище, так как было понятно, что Цезарь будет его преследовать. По поводу того, где именно стоит укрыться и начать сбор войск, среди спутников Помпея возник спор. Было рассмотрено несколько возможностей: Парфянское царство, Африка и Египет. Сначала было выбрано Парфянское царство, но по прибытии на Кипр выяснилось, что парфяне отказываются принимать Помпея, боясь мести со стороны Цезаря. В Египте в это время шла гражданская война. Птолемей Дионис вел войну против Клеопатры, своей сестры. Их отцу, Птолемею Авлету, Помпей в свое время оказал серьезную услугу: в 58 году до н. э. в Египте вспыхнуло восстание и царь бежал в Рим. Помпей помог Птолемею Авлету вернуть трон. Рассчитывая на благодарность его сына, Помпей решил отправиться в Египет.