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  在伊蘇斯戰役之後兩年間,亞歷山大佔據了東地中海沿岸和埃及,解除了波斯海軍對希臘本土的威脅,開始從敘利亞往波斯帝國中心地帶進軍。亞歷山大在沒有什麼抵抗下渡過了幼發拉底河和底格里斯河。此時,大流士三世從帝國各地招來部隊和士兵,組成了一支龐大的軍隊,意圖利用人數優勢粉碎亞歷山大。根據阿利安記載,大流士軍隊有100萬步兵、4萬騎兵,但現代估計總數約在25萬上下(約20萬步兵以及4萬5千騎兵)。大流士還挑選一個寬敞的、且整理過後的平原作為戰場,除了使亞歷山大沒有任何地形優勢,更使他可以有效利用騎兵優勢。  在戰役前夕,亞歷山大的將軍帕曼紐提議,應該發動夜襲來對付擁有壓倒性數量優勢的波斯軍。而亞歷山大回答說,偷來的勝利是不光彩的,他要正大光明奪得勝利,事實證明亞歷山大判斷是正確的,因為大流士擔心遭受馬其頓軍夜襲,命令他的軍隊整晚站立保持清醒和警覺,而馬其頓軍則是充分休息。  雖然大流士三世擁有數量優勢,但他大部分部隊素質遠低於馬其頓軍,和缺乏訓練和裝備的波斯步兵相比,亞歷山大除了配備薩里沙長槍的馬其頓方陣外,還有為數不少的希臘重灌步兵。而大流士值得相提的僅有10,000名波斯不死軍和10,000名希臘僱傭軍,而僱傭軍配備重型盾牌和不到3米長的長槍,組成阿哥斯式密集方陣作戰,而其他可能的重灌部隊有仿照希臘式的亞美尼亞重灌步兵,其餘其他的部隊就是像阿契美尼德帝國傳統上配帶弓和箭的輕裝步兵。  戰前,大流士從東方各省和西徐亞人部落招募優秀的騎兵,也為了佈署刀輪戰車而整地,清除戰場的障礙物和灌木叢,更從印度那得到15頭戰象,但是戰象似乎沒有用在戰鬥中。

  大流士三世依照波斯慣例坐鎮全軍中央,身旁是金蘋果衛隊以及波斯不死軍,希臘僱傭軍在中央兩側展開,在中央最前方是戰象和50輛刀輪戰車。而巴克特里亞總督貝蘇斯統率在波斯左翼中亞的騎兵,亞美尼亞騎兵在波斯右翼,兩翼前方有十多輛戰車和鐵甲騎兵組成的突擊方陣。在左、右、中所構成的第一陣列後方,大量的輕裝步兵組成第二陣列。  亞歷山大遠征軍中央為馬其頓方陣,兩翼為騎兵,右翼前方有弓箭兵、標槍兵,兩翼後方配有二線騎兵作機動。老將帕曼紐率領左翼,亞歷山大大帝與夥友騎兵在右翼,在第一道陣列後面由僱傭軍組成第二道陣列,以因應各種突發狀況,整個馬其頓軍形成一個空心方陣,並使左翼步兵正面外朝45度以因應波斯的側面攻擊。

  戰役開始亞歷山大命令步兵方陣以斜型陣列朝波斯軍中央的前進,自己率領騎兵開始慢慢朝右方移動,騎兵後方隱藏一隊輕裝部隊一同向右行動,同時大流士為了阻止亞歷山大繼續向外移動,令波斯左翼騎兵向外延伸,意圖包抄馬其頓右翼,雙方就此在外圍展開交戰。在經過新一批增援下,馬其頓右翼外圍部隊抵擋住波斯包抄部隊。此時大流士開始命令刀輪戰車朝馬其頓方陣突擊,以圖切開缺口,但一些被方陣陣前的標槍兵解決,剩下的戰車衝向方陣時,馬其頓軍隊自行開啟一個缺口,使戰車衝進缺口內而被後方部隊解決,大流士的意圖落空了,雙方中央步兵開始交戰。  同時,越來越多的波斯左翼部隊往馬其頓右翼外圍的戰鬥增援,使波斯中央和左翼露出了一個缺口,亞歷山大等待的戰機出現了,立即率領夥友騎兵組成楔形隊形朝這個缺口突擊,在亞歷山大後方隱藏的輕裝部隊隨即現身,來阻止波斯左翼騎兵回頭援救。 亞歷山大奮不顧身親率騎兵與波斯部隊廝殺,並往波斯軍中央陣線夾擊,波斯不死軍和希臘僱傭軍紛紛被突破,馬其頓騎兵直撲大流士。大流士發覺他陷入危險當中,心驚膽跳的他隨即跳上一匹快馬瘋狂逃命,波斯軍中央陣線開始潰散(普遍公認的說法)。  但就在亞歷山大往波斯軍中央突擊時,統率馬其頓軍左翼的帕曼紐陷入困境,大批大批的波斯軍騎兵衝向左翼的正面和側翼,使在此的色薩利騎兵拼死抵擋,加上亞歷山大的向右行動,使左右兩翼間出現缺口,大批的波斯部隊湧入,一支波斯騎兵更突破馬其頓軍後方的第二道陣列,直撲馬其頓軍大營意圖解救大流士的母親,而關押在大營內的波斯戰俘立即鼓動起來,一起攻擊大營的輜重部隊,而馬其頓軍第二陣列指揮官隨即派人回軍,才擊退波斯部隊。  尚不知道大流士遁逃的波斯右翼指揮官馬紮亞斯,幾乎獲得對馬其頓軍左翼的勝利;而就當亞歷山大正要追擊大流士時,接到了帕曼紐處境危急的求援,只得回頭往波斯右翼急馳。在路上他解決掉先前湧入馬其頓缺口的殘兵後,亞歷山大從波斯側翼與色薩利騎兵擊退波斯右翼,馬紮亞斯意影象波斯左翼貝蘇斯一樣撤退,卻無法嚇阻右翼全線潰散,戰役到此告一段落,亞歷山大獲得高加米拉戰役的勝利。

  因解救亞歷山大左翼部隊,錯失追擊大流士的最佳時機,但卻奪取大流士的營地和財寶以及半個波斯帝國。此戰,據阿利安記載,馬其頓軍則僅以陣亡數百人,但實際上可能更高。大流士戰後判斷亞歷山大會往巴比倫進軍,自己與殘存的金蘋果衛隊大部和貝蘇斯的巴克特里亞騎兵往埃克巴坦那撤退,途中與倖存的希臘傭兵會合,決定再糾集東方各省的部隊,聯盟北方的西徐亞人部落,再與亞歷山大決戰,然而大流士三世卻被巴克特里亞首長貝蘇斯所殺。

  主要希臘史料都描述大流士捨棄軍隊,率先逃跑。然而,與當時美索不達米亞的《巴比倫編年史》中的記載相比有很大的不同,從這份古代楔形文字泥板得知,當時是波斯軍隊先捨棄大流士潰逃。記載到:  而根據希臘史家西西里的狄奧多羅斯記載,當亞歷山大逐漸靠近大流士時,他向大流士丟了一支標槍,但沒有射中大流士,反而射中大流士身後的戰車駕駛,而駕駛中槍落地。這使得波斯軍中離大流士有一段距離計程車兵誤以為國王陣亡了,起初一部分人開始潰逃,之後從一個接著一個潰退,到一小群接著一小群潰逃,終使得大流士的衛隊全面敗退,當大流士發覺身旁計程車兵們都潰散了,開始撤退。最後才演變成波斯軍全線潰散。  按此記載,戰況應為: 亞歷山大帶著當時全世界最強大的近戰騎兵-夥伴騎兵對上了波斯最精銳的禁衛軍-長生軍。夥伴騎兵的馬匹衝撞、長槍戳刺、彎刀揮砍,長生軍的步兵矛頭上挺、矛尾揮砸、短弓齊發。亞歷山大艱難地在血路中前進,丟擲了決定命運的投槍,它沒有帶走大流士三世的性命,卻帶來了亞歷山大的勝利—長生軍們誤以為主帥已死,開始動搖潰退,長生軍的潰退使中軍步兵連鎖動搖,導致主力部隊的大逃亡,大流士三世未死,卻如同已死,無奈之下只能帶著還能聽令的部隊自戰場中撤離。  同時狄奧多羅斯也讚揚大流士的撤退戰術,並說大流士利用騎兵仰起大量塵土,使追擊的亞歷山大不知大流士準確的撤退方向。而且在塵土的掩護之下大流士不是往後方撤退,而是反向把敗兵撤往馬其頓軍後方的村莊,安然躲過亞歷山大的追擊。
高加米拉戰役(Battle of Gaugamela),在前331年10月1日發生,是馬其頓與波斯之間的一場戰役。高加米拉的確實位置未有定論,有人認為在今伊拉克摩蘇爾以東。