Цезарь трижды пытался начать переговоры с Помпеем, но безуспешно: тот уже 17 марта отплыл из Брундизия в Грецию, где начали собираться его войска и приверженцы. За два месяца Цезарь без кровопролития овладел всей Италией. Вступив в Рим, он захватил государственную казну (свыше 5 тыс. фунтов золота и серебра), в суматохе оставленную помпеянцами. В первых числах апреля Цезарь уже покинул столицу, вверив город попечению претора Марка Эмилия Лепида (сына одноименного консула 78 г. до н. э.). а управление Италией – 34-летнему плебейскому трибуну, ветерану Галльской войны Марку Антонию как своему легату. Цезарь направился в Испанию, где ему пришлось столкнуться с войсками легатов Помпея – Луция Афрания и Марка Петрея (некогда именно он разбил отряд Катилины при Пистории). Тем временем легаты Цезаря Децим Юний Брут и Гай Требоний осаждали Массилию (современный Марсель), где заперся уже однажды помилованный Цезарем Домиций Агенобарб.
Бои в Испании проходили с переменным успехом. Было время, когда казалось, что помпеянцы возьмут верх, однако вскоре положение изменилось, Цезарь окружил войска Афрания и Петрея в безводной местности близ городка Илерды, и 2 августа они капитулировали. После этого обе испанские провинции перешли на сторону Цезаря. В скором времени сдалась Массилия (Домицию удалось бежать; позднее он погиб в битве при Фарсале). Здесь Цезарь узнал о том, что в Риме Лепид провозгласил его диктатором. Так началось формирование режима личной власти Цезаря. Между тем его легаты потерпели серьезные неудачи в Северной Африке (Курион был разбит нумидийцами и погиб) и в Иллирии.
В конце ноября 49 г. до н. э. Цезарь прибыл в Рим и вступил в права диктатора. Став консулом на следующий год, он в течение 11 дней провел законы о даровании римского гражданства ряду провинциальных общин, о возвращении изгнанников, осужденных при Помпее, а также об арбитраже в спорах между должниками и кредиторами. Затем, произведя раздачу хлеба плебеям, Цезарь уехал в Брундизий, чтобы оттуда переправиться на Балканы. Уже 5 января 48 г. до н. э. он с войском в 20 тыс. человек высадился на иллирийском побережье близ Аполлонии.
Перед началом решающей схватки оба полководца располагали внушительными силами: 9 легионов было у Помпея в Македонии, 12 – у Цезаря в Италии. Однако на Адриатическом море господствовал огромный флот Помпея под командованием заклятого врага Цезаря консуляра Бибула (он вскоре умер), тогда как цезарианцы ощущали острый дефицит транспортных средств. Оба войска стали на зимние квартиры близ Диррахия. В армии Цезаря скоро начались трудности со снабжением. Противники не предпринимали активных действий: Цезарь ждал подкреплений, а Помпей был уверен, что время работает на него. Наконец в апреле из Италии прибыл с подкреплениями Антоний. Теперь у Цезаря было около 35 тыс. солдат. Часть войск он направил в Македонию, Фессалию и Этолию, чтобы поддержать союзные ему общины.
Позиционная война продолжалась до середины лета. В июле в сражении при Диррахии войско Цезаря потерпело серьезное поражение. Из Иллирии Цезарь двинулся в Фессалию, Помпей – следом за ним. Недовольные сугубо оборонительной, пассивной тактикой своего главнокомандующего, соратники Помпея вынудили его дать решающее сражение, которого так желал Цезарь.
Битва при Фарсале произошла 9 августа 48 г. до н. э. Ветераны Цезаря сделали свое дело: несмотря на двукратное численное превосходство (у Помпея было до 50 тыс. солдат, у Цезаря – около 25 тыс.), помпеянцы потерпели сокрушительное поражение, свыше 20 тыс. человек сдались в плен и были помилованы Цезарем. Сам Помпей бежал с небольшой свитой. Сначала он отправился на Восток, потом отплыл в Египет, рассчитывая найти там убежище, но был предательски убит 28 сентября 48 г. до н. э. (Помпей не дожил одного дня до своего 58-летия) по приказу египетского царя Птолемея XIII Диониса, который хотел угодить этим Цезарю. У цел евшие после разгрома помпеянцы во главе с Катоном переправились в Северную Африку, намереваясь продолжить борьбу.
Во время всех этих событий помпеянец Марк Целий Руф вместе с вернувшимся из изгнания Милоном под лозунгом кассации долгов попытались поднять антицезарианский мятеж на юге Италии, но были убиты. В Риме, узнав о разгроме и гибели Помпея, сенат вторично провозгласил Цезаря диктатором и декретировал ему 5-летний консулат, пожизненную трибунскую власть (tribunicia potestas), право рекомендации своих кандидатов на выборных комициях (jus commendationis) и целый ряд других почестей и полномочий. Своим заместителем (начальником конницы) Цезарь назначил Антония, который в отсутствие диктатора единолично управлял Римом и Италией.