Весной 331 г. до н. э. Александр отправляется из Египта на восток, для решительной схватки с Дарием. В том же году в Северной Месопотамии у местечка Гавгамелы произошло решающее сражение. За счет подкреплений из Македонии и Греции армия Александра к тому времени увеличилась и составляла, очевидно, около 80 тысяч человек, но все равно она по численности уступала персидской. Дарий использовал все резервы, его ударной силой были индийские боевые слоны и серпоносные колесницы, наводившие ужас на врагов. Эта битва была самой упорной из всех, и исход ее долгое время был неясен. Дисциплинированное грекомакедонское войско расступилось в нужный момент, и серпоносные колесницы не нанесли ему заметного ущерба. Слоны были обращены вспять и внесли сумятицу в ряды персов. Александр рвался к Дарию, чтобы лично сразиться с ним, но это ему не удалось: Дарий не выдержал натиска и бежал.
После этого разгрома ни о каком организованном сопротивлении со стороны персов не могло быть и речи. Персидская держава рухнула, и ее столицы стали одна за другой сдаваться на милость победителя. В Вавилоне Александр был признан «царем четырех стран света» (этот город Александр впоследствии и избрал своей резиденцией); в Экбатанах и Сузах он также не встретил сопротивления. Из Суз им была возвращена в Афины знаменитая скульптурная группа тираноубийц, которая была вывезена с афинского акрополя еще в 480 г. до н. э. по распоряжению царя Ксеркса. Этим символическим актом Александр стремился продемонстрировать свое уважение к Афинам и подчеркнуть провозглашенную цель своего похода — месть персам за поруганные греческие святыни.
Только Персеполь, центр заселенной персами Персиды, оказал сопротивление. В результате Персеполь был разграблен и сожжен. Сам Дарий был захвачен одним из сатрапов, Бессом, и казнен им по приближении македонян. Александр устроил ему пышные похороны, стремясь подчеркнуть, что он является подлинным наследником Ахеменидов. Александру покорился весь Иран и, после упорного сопротивления, значительная часть Средней Азии. Однако Александр был неудержим: в греческой мифологии существовало предание о походе бога Диониса в Индию. Если это было возможно для Диониса, то почему это невозможно для Александра? По представлениям греков того времени Индия была сказочно богатой страной. Александр заключает союз с одним из раджей (царей) северо-востока Индии и в битве с войском другого раджи — Пора — ему снова сопутствует успех. Казалось бы, можно двигаться дальше. Но войско устало. В индийском походе Александра сопровождало уже около 120 тысяч воинов, и воины-македоняне, «старая гвардия», прошедшая с Александром полмира, отказались идти вперед. Индия — огромная страна, они не знали, что их ожидает впереди, не видели цели в дальнейших завоеваниях. Александру пришлось смириться с этим, и он скрепя сердце отдал приказ о возвращении. На том месте, где он остановился, на берегу реки Биас, которую греки называли Гифасис, были воздвигнуты двенадцать алтарей в честь двенадцати олимпийских богов.
Индийский поход Александра привел к интенсивным греко-индийским контактам, взаимовлияниям и взаимосвязям, и даже сравнительно непродолжительное пребывание армии Александра в северо-западной Индии дало толчок к образованию в 313 г. до н. э. там могущественной державы Маурьев, которая в течение двух столетий доминировала в Индии. Греки и македоняне впервые напрямую познакомились с индийской мудростью, и она произвела на них неизгладимое впечатление.
Трудным было возвращение армии Александра: сначала вниз по реке Инд, а затем через безводную пустыню Гедросию. Когда Александр вернулся в Вавилон, в его распоряжении было около 80 тысяч воинов. Александр почти полностью перенимает придворный церемониал Ахеменидов и требует для себя божественных почестей. Однако то, что было совершенно естественным для восточных подданных Александра, казалось абсолютно неприемлемым грекам, которых особенно возмущал обычай «проскинезы» (земного поклона царю). Племянник Аристотеля историк Каллисфен оказывается в темнице за свои независимые взгляды. Все греческие полисы, за исключением Спарты, признают Александра богом и посылают к нему в Вавилон в 324 г. до н. э. специальных послов-феоров, которых ранее посылали лишь к богам.