В течение нескольких последующих недель александрийцы потерпели ряд неудач. Узнав, что к Цезарю движутся транспортные суда с продовольствием на борту, александрийцы послали свой флот к дельте Нила. Как только об этом дали знать Цезарю, он немедля послал туда же свой флот, которым командовал Тиберий Нерон. Римляне одержали победу, потопив несколько неприятельских кораблей и рассеяв другие. Правда, в этом бою они и сами потеряли корабль, которым командовал Эвфранор. Увлекшись преследованием одного из вражеских кораблей, Эвфранор потерял связь со своими и, когда его окружили, погиб в неравном бою.
В начале марта к Пелусию, городу у восточного устья Нила, подошел Митридат из Пергама во главе целой армии, набранной в Палестине, Сирии и Аравии. Это было то самое подкрепление, которого давно дожидался Цезарь. В состав армии Митридата входили три тысячи иудеев, влившиеся в войска по распоряжению правителя и первосвященника Иудеи Иоанна Гиркана II и его влиятельного советника Антипатра. Гиркан и Антипатр решили поддержать Цезаря, рассчитывая на то, что он станет союзником Иудеи, в отличие от Помпея, который во время своей восточной кампании отторг от Иудеи часть территории да еще надругался над святынями Иерусалимского храма.
Вскоре Митридат после ожесточенного сражения с египтянами взял Пелусий и поспешил в Александрию на соединение с Цезарем. Но чтобы не форсировать дельту Нила с ее большим числом протоков и рукавов, Митридат пошел из Пелусия на юго-запад, форсировал Нил выше устья реки вблизи нынешнего Каира и затем направился на соединение с Цезарем.
Узнав о появлении армии Митридата, основные силы войска александрийцев оставили город и, погрузившись на корабли, отправились вверх по Нилу, чтобы помешать дальнейшему продвижению неожиданно появившихся новых вражеских войск. Не бездействовал и Цезарь. Как только основные силы александрийцев ушли из города, он пустился в погоню. Посадив свое войско на корабли, он пошел на восток к дельте Нила, но ночью, чтобы избежать морского сражения с неприятелем и ввести его в заблуждение, Цезарь развернул свои корабли, направился в противоположную сторону и, миновав Александрию, высадился в миле от города. Затем ускоренным маршем он обогнул Мареотийское озеро и соединился с армией Митридата до появления войска александрийцев.
На следующий день 27 марта 47 года римляне атаковали подошедшее войско александрийцев. Сражение длилось до вечера и закончилось полной победой римлян. Птолемей бежал с поля боя и утонул в реке, когда его лодка перевернулась. Воодушевленнэй победой, одержанной после трех месяцев кровопролитных боев, Цезарь во главе конницы поспешил вернуться в Александрию. Население города встретило его у ворот и стало молить даровать им прощение. Цезарь мог бы обратить александрийцев в рабов, но Александрия находилась в сфере экономических интересов Римского государства, и опустошение города в планы Цезаря не входило. Он даровал прощение горожанам и направился во дворец, где его ждала Клеопатра.
Овладев Египтом, Цезарь возвел на царский престол Клеопатру, а в качестве ее нового соправителя — двенадцатилетнего Птолемея XIV. Им же он передал власть над Кипром, что, должно быть, сделал в пику Катону, потратившему несколько лет на то, чтобы подчинить этот остров Риму. Хотя Птолемей XIV формально и делил власть с Клеопатрой, реальной власти он не имел, что и предусматривал Цезарь. Арсиною доставили в Рим закованной в кандалы, чтобы в дальнейшем, во время триумфа Цезаря, провести ее в качестве пленницы вместе с Верцингеторигом по улицам Рима. Чтобы в Александрии после его отъезда не возникли волнения, Цезарь оставил в городе три легиона.
Но почему же Цезарь не присоединил, как планировал, Египет к Римскому государству? Он мог бы легко подавить сопротивление египтян на юге страны, овладеть всеми ее ресурсами, объявить Египет новой римской провинцией и назначить ее наместника. Вероятно, Цезарь осознавал, что наместник процветающей и богатой страны — кто бы он ни был, даже прямой и честный Катон — может стать ему конкурентом в борьбе за власть в Риме. Наместник такой провинции, как Египет, мог бы поднять восстание против Рима или ввести эмбарго на поставки Риму зерна. Поэтому Цезарь поступил весьма рассудительно, определив правительницей Египта обязанную ему своим положением Клеопатру (не говоря о ее сердечной привязанности к нему). Цезарь также правильно поступил, оставив в Египте три своих легиона, без которых Клеопатра вряд ли бы продержалась у власти. Наконец, Цезарь, чтобы быть в полной мере уверенным в оставленных им в Египте войсках, назначил их командиром Руфина, сына своего вольноотпущенника (сделав тем самым беспрецедентное назначение).