大流士三世看到左翼騎兵進展順利，認為決戰時刻已經來臨，於是命令兩翼騎兵全線出擊。馬紮依統率的右翼騎兵部隊立刻撲向落後的馬其頓左翼，從正麵和側麵發動集群衝擊，並派出3 000名精騎向縱深穿插，目標直指馬其頓大營。與此同時，波斯的戰車突擊集團也開始向馬其頓密集陣發起衝擊。亞曆山大顯然對波斯戰車早有研究，部署的散兵線正是它們的克星。波斯戰車鐵輪滾滾，在巨大的轟鳴聲中疾馳而來，馬其頓遊擊步兵們靈巧地躲過正麵衝擊，在其側麵跟隨奔跑，步兵們幾人一組分工協作，有的用盾牌抵擋波斯戰車兵的長矛，有的用標槍攻擊缺乏鎧甲防護的戰馬肋部和車夫。大多數波斯戰車沒有衝到密集陣前就失去行動能力。馬其頓步兵方陣訓練有素，讓出一條條通道避開剩餘的波斯戰車，這些戰車全部被馬其頓後衛部隊繳獲。
波斯右翼騎兵對馬其頓左側的迂回扯動也迫使後者不斷延伸防線，受其牽連左翼的特薩利騎兵不得不左移以保持防線完整，這樣又帶動他們右邊的馬其頓密集陣第5、第6方陣左移。密集陣右邊的前四個方陣麵臨兩難選擇，是跟隨左移，還是原地不動。跟隨左移將暴露亞曆山大近衛步兵的側翼，原地不動則會造成密集陣的脫節。根據亞曆山大的戰前部署，密集陣前四個方陣的任務是配合右翼，因此第4方陣指揮官美利格毅然決定按兵不動。這樣密集陣戰線很快脫節，波斯右翼騎兵的迂回扯動又將馬其頓陣線撕開了第二個缺口。大流士三世看到馬其頓密集陣洞開，立刻派遣波斯中央陣線的禁衛軍騎兵和印度騎兵從缺口高速突破。馬其頓陣營正承受著兩翼波斯騎兵強大的壓力，此時又被劈成兩半，而突破的波斯禁衛軍無論從後麵攻擊哪一側的馬其頓陣線，都會導致其迅速崩潰。看起來波斯陣營已經勝利在望了。
然而不可思議的事情發生了，突破密集陣的波斯騎兵並沒有從背後攻擊馬其頓陣線，而是高速穿過第二道防線左側的缺口，直撲馬其頓大營。顯然波斯禁衛軍得到大流士三世的明確指令，不惜代價解救他的母親和兒女。戰前亞曆山大對大流士三世的心理刺激終於奏效，對親人的牽掛果然使波斯王在關鍵時刻失去理智，將勝利拱手相讓。波斯禁衛軍同馬紮依派遣的三千精騎會合，輕易驅散了看守馬其頓大營的色雷斯步兵，然後開始劫掠輜重馬車，尋找王室成員。當大流士三世的母親從仆人那裏得知波斯軍隊大獲全勝，覺得難以置信，居然拒絕跟隨波斯救兵離開大營。無論如何，大營失陷沉重打擊了馬其頓官兵的士氣，帕米尼奧派人請示亞曆山大如何應對，亞曆山大回答說：“告訴帕米尼奧，不要在乎一點兒後勤物資的得失，如果我們贏得勝利，連波斯人的大營也將屬於我們。”
馬其頓軍隊從來沒有經曆過如此糟糕的局麵，不但兩翼被敵人迂回包抄，陣線中央被敵騎突破，連大營也失陷敵手。馬其頓官兵的抵抗意誌已經到達崩潰的臨界點。就在此時奇跡發生了。一隻蒼鷹突然飛臨馬其頓陣線右翼上空，在亞曆山大的頭頂盤旋。祭司亞裏斯坦德立刻跳上一匹戰馬，沿著馬其頓陣線奔馳，大聲呼喚：“看那隻盤旋的鷹，這是馬其頓勝利的征兆！”其實這“盤旋的鷹”子虛烏有，是亞裏斯坦德為了振奮馬其頓官兵的士氣編造出來的。高加米拉戰場是鬆軟的沙土地，數十萬人馬幾個小時的混戰勢必揚起漫天塵土，這種能見度下馬其頓官兵根本無法看到一隻低空盤旋的鷹。無論如何，顯然這個征兆極大地鼓舞了馬其頓將士的士氣，原本已經搖搖欲墜的馬其頓陣線突然堅挺起來，第二線的希臘聯盟步兵甚至反攻大營成功，將波斯騎兵驅逐出去。
當馬其頓軍隊和波斯騎兵以及戰車激戰之時，亞曆山大和他的兩千近衛騎兵一直按兵不動，等待戰機。大流士三世下達總攻命令以後，波斯左翼騎兵傾巢而出。也許波斯將領誤解了大流士三世的命令；或者波斯騎兵攻擊近衛騎兵方陣時遭到馬其頓散兵弓箭和標槍的襲擊，下意識地向左規避，結果不由自主地卷入馬其頓右側的混戰。波斯左翼騎兵的全部出動，使左翼和中央方陣的接合部出現缺口，希臘雇傭軍方陣的側翼暴露出來，亞曆山大等待已久的戰機終於出現了。
亞曆山大立刻率領近衛騎兵以楔形向波斯的希臘雇傭軍側翼猛衝過去，而三千近衛步兵在左側緊緊跟隨，馬其頓密集陣右邊四個方陣也依次前進，形成一道斜線，從正麵攻擊波斯中央陣營。接下去戰局的發展和伊蘇戰役同出一轍，希臘雇傭軍在來自兩麵的夾擊下崩潰，將大流士三世和他的禁衛軍步兵暴露在馬其頓騎兵的鋒芒之下。亞曆山大在一群近衛騎兵的簇擁下很快衝到大流士三世戰車近前，在這裏遭遇波斯禁衛軍的拚死抵抗，每前進一步都必須斬殺數人。此時亞曆山大和大流士三世相距大概隻有30米，兩人幾乎同時向對方投擲出一支標槍，都沒有命中目標，但大流士三世的車夫被亞曆山大投出的標槍擊斃。
後人對這個決定勝敗的車夫進行了討論，有人認為，大流士三世看到車夫斃命，魂飛魄散，再次跳上一匹快馬逃之夭夭，而波斯王的逃遁導致整個波斯陣線的崩潰。但這基本是不可能的，大流士三世能克服天象異變的曆史恐懼，同時也明白此戰敗了必死無疑，陣前大軍廝殺，不可能身邊一個車夫死了，便嚇得屁滾尿流。
事實的真相是這樣的：由於戰場上漫天的沙塵，大流士三世近旁的波斯官兵隻能模糊地看到波斯王戰車上有人被標槍貫穿身亡，都以為中槍的是大流士三世本人，立刻迸發出一片哀號之聲。然後整個波斯左翼莫名其妙地潰退，引發雪崩效應，波斯中央陣營也很快潰不成軍。
波斯左翼和中央陣線潰敗的時候，馬紮依統率的右翼騎兵在這一側幾乎取得了勝利。波斯騎兵同時從馬其頓左翼的正麵和左側發動進攻，亞美尼亞鐵甲騎兵以密集隊形一次又一次地衝擊馬其頓方陣，並不斷向側後迂回。帕米尼奧看到局麵異常被動，派人向亞曆山大請求援助。帕米尼奧征戰五十載，以見多識廣、臨危不懼著稱，此時破天荒地求援，可見馬其頓左翼的確危在旦夕。亞曆山大得信以後，不得不放棄對大流士三世的追擊，領軍馳援左翼。正巧奔襲馬其頓大營的數千波斯騎兵原路返回，和行進至半途的亞曆山大近衛騎兵狹路相逢，於是爆發了本次戰役最激烈的騎兵戰鬥。雙方都是精英部隊，波斯騎兵急於奪路而逃，而亞曆山大的近衛騎兵著急救援同伴，於是展開殊死搏鬥，在此陣亡的近衛騎兵就有六十人，而傷者數百。最後這股波斯騎兵殺出一條血路得以逃生。
等亞曆山大擺脫波斯騎兵的糾纏，到達馬其頓陣線左翼時，戰局已經發生逆轉。大流士三世敗退的消息很快傳到波斯右翼兵團，馬紮依立刻領軍撤向巴比倫，高加米拉戰役落下帷幕。
高加米拉會戰就這樣結束了，波斯軍幾乎全軍毀滅，死亡的有30萬人，受傷和被俘的超過這個數字。這其中一個重要因素是，馬其頓軍以長矛作戰，波斯軍的武器是短劍和標槍，戰鬥中很難接近馬其頓軍。亞曆山大繳獲了無數戰利品，連大流士三世逃跑中遺棄的弓箭、盾牌和大鬥篷都撿到了。
戰鬥史上，高加米拉戰役被稱為改變古代世界格局的“最偉大的一次會戰”，亞曆山大也從此被公認為“曆代最優秀的騎兵指揮”和“亞洲之王”。不久以後，亞曆山大輕輕鬆鬆地占領了巴比倫、蘇薩（波斯首都）、波斯波利斯（波斯舊都）三個大城市。為報複公元前480 年薛西斯對希臘的蹂躪，亞曆山大從蘇薩掠走了5 萬塔蘭特金銀，在波斯波利斯從波斯開國大帝居魯士的金庫裏掠走了12萬塔蘭特金銀，並且放起一把火將波斯波利斯富麗堂皇的宮殿燒得精光。