Ход сражения описан у Арриана, Курция, Диодора, Плутарха и кратко у Юстина.
Когда противоборствующие армии встретились на расстоянии около 6 км, Александр дал отдых войскам в укрепленном лагере. Персы, опасаясь внезапной атаки Александра, напряженно простояли день и ночь в полном вооружении в чистом поле, так что к утреннему сражению оказались морально надломлены усталостью и страхом перед македонцами.
Сражение началось атакой серпоносных колесниц, на которые Дарий возлагал особые надежды. Македонцы подготовились к встрече с ними. Часть лошадей обезумела от крика и шума, поднятого фалангитами, повернула назад и порезала свои же войска. Другая часть лошадей и возниц была перебита легкой пехотой македонцев на подходе к основному строю. Тех же лошадей, которые сумели ворваться в ряды фаланги, солдаты поражали длинными копьями в бока, либо расступались и пропускали в тыл, где их затем изловили. Лишь немногим колесницам удалось посеять смерть в рядах македонцев, когда, по образному описанию Диодора, «серпы нередко резали по шеям, посылая головы скакать по земле с ещё открытыми глазами.»
Мазей сумел обойти левый фланг македонцев и потеснить их кавалерию. Парменион дрался в окружении с превосходящим противником. Около 3 тысяч всадников Мазея прорвались к обозу македонцев, где завязался жаркий бой в отрыве от основного сражения. Персы грабили обоз, чтобы отбить его, македонцы ограниченными силами делали вылазки из своего боевого построения.
На правом фланге Александр совершает тактический маневр, представляющий загадку для историков. По словам Арриана, Александр в ходе сражения двинул правое крыло ещё правее. Согласно Полиену, Александр совершил этот маневр вынужденно, чтобы обойти местность, которую персы заминировали железными шипами против лошадей. Неизвестно, вёл ли он подразделения компактно, обнажая правый фланг пехоты, или растягивал войска по фронту. Во всяком случае сам он с гетайрами в столкновение не вступал. Персы упорно пытались обойти Александра справа, послали бактрийцев и скифов (или массагетов), чтобы выдавить македонскую конницу на шипы.
Персидскую кавалерию связала боем конница из 2-й линии македонской армии. По словам Курция часть бактрийской конницы с крыла, противостоящего Александру, Дарий послал на помощь своим в бой за обоз. В результате сосредоточения персидских всадников на правом фланге Александра и ухода бактрийцев к обозу, в передней линии персидского войска образовался разрыв, куда Александр направил удар своих гетайров с частью поддерживающей пехоты. Удар был направлен на царя Дария.
В схватке возничий Дария был убит дротиком, однако персы приняли его смерть за смерть персидского царя. Паника охватила их ряды. Левый фланг персов стал разваливаться и отступать. Увидев это, Дарий обратился в бегство, после чего побежали и его войска, находившиеся рядом. Из-за облака пыли и большой территории сражения персы правого крыла не видели бегства своего царя и продолжали теснить Пармениона. Александр повернул гетайров и ударил по центру персидского войска, чтобы облегчить положение своего полководца. Вскоре, прознав про Дария, Мазей отступил в порядке, а Александр возобновил преследование царя персов в сторону Арбел.
Итоги битвы
По Арриану Александр потерял 100 человек только среди гетайров и половину конского состава кавалерии гетайров, тысячу лошадей. Персов же пало по слухам до 30 тысяч человек, и ещё больше взято в плен. Курций увеличивает число погибших персов до 40 тысяч и оценивает потери македонцев в 300 человек. Диодор сообщает о 500 погибших у македонцев и 90 тысяч у персов, большое количество солдат Александра, включая военачальников, получили ранения. Неизвестный автор папируса приводит потери македонцев в 200 всадников и 1000 пехотинцев.
Сомнительно, чтобы победители подсчитывали трупы врагов на поле боя; собственные же потери искажены неопределенностью с тем, кого учитывали среди павших, только ли знатных македонцев-гетайров, или павших из Македонии, или всех, включая греков и варваров в рядах армии Александра. Консервативный подход позволяет оценить потери армии Александра Македонского в 1200 человек (из них 100 гетайров); персов погибло если и не 30 тысяч, то по меньшей мере в 10—20 раз больше, чем у македонцев.
После битвы при Гавгамелах Александру сдался Вавилон и другие города Персидской империи, причем персидские вельможи присягают на верность Александру, новому повелителю Азии. Царь персов Дарий III бежал на восток в надежде собрать там армию, но был захвачен, а затем и убит собственным сатрапом Бессом.
