Alexandros rời khỏi Ai Cập vào mùa xuân năm 331 TCN để tiếp tục chiến dịch đông chinh của mình. An tâm vì thất bại của Pharnabazus và vào khả năng của Antipatros, người mà ông tin tưởng đủ sức đối phó với vua Agis III của Sparta. Khi đoàn quân một lần nữa đi qua Tyros, Alexandros được một phái đoàn của Athens yết kiến, hy vọng nhà vua sẽ thả những binh sĩ đánh thuê người Hy Lạp trong hàng ngũ quân Ba Tư đã bị bắt sau trận Granicus. Ông cũng tranh thủ thời gian tái tổ chức tài chính ở các vùng đất đã chinh phục dưới cái tên "quỹ chiến tranh" và giao phó trọng trách này cho Harpales. Cuối mùa xuân năm đó, quân đội Macedonia hành quân về phía đông hướng sông Euphrates vào vùng Assyria (bây giờ là bắc Iraq). Binh sĩ Macedonia đã vượt sông vào cuối tháng 7 tại Thapsacus trên một chiếc cầu thuyền. Tổng trấn Mazaeus khi được tin Alexandros đến đã tiến hành rút lui. Vào lúc này quân trinh sát (Prodromoi) Macedonia đã phát hiện ra đội quân của Darius III ở phía bắc. Ngoài ra, nhà vua Macedonia, thay vì hành quân tới Babylon theo kế hoạch ban đầu của mình, đã chuyển hướng về phía bắc, về phía Nisibis và vượt sông Tigris vào khoảng ngày 20 tháng 9 năm 331 (khu vực xung quan Djésireh, Iraq ngày nay) và đi vòng phía sau đối phương. Quân Macedonia sau đó men theo tả ngạn sông Tigris mà hướng về phía nam. Sau bốn ngày, Alexandros nhận được tin báo rằng quân đội Ba Tư với quân số áp đỏ như mọi lần, đang đợi chờ ông ở vùng đồng bằng Gaugamela rộng lớn, gần Arbela thuộc xứ Adiabene (Kurdistan, Iraq ngày nay). Darius III đã dự định tận dụng ưu thế quân số của kỵ binh Ba Tư để bọc sườn quân Hy Lạp từ hai phía. Để đối chọi với tình huống này, Alexandros cho quân di chuyển theo đội hình nghiêng, nghĩa là tập trung hết sức mạnh tấn công vào cánh phải. Quân Ba Tư đã tấn công cánh phải Hy Lap nhưng bị đẩy lùi. Thừa thắng, Alexandros đã xua đội cận vệ tinh nhuệ xông lên đánh thủng chiến tuyến của Ba Tư. Sau đó, ông lao về trung quân Ba Tư và tấn công dữ dội vào vua Ba Tư, Darius buộc phải bỏ chạy sau khi người lái chiến xa của ông ta bị giết, và Alexandros đuổi theo ông ta xa đến tận Arbela. Trong khi Darius chạy về vùng núi về phía Ecbatana xứ Media (nay là Hamadan), Alexandros tiến về thành Babylon. Thành phố này đầu hàng ngay lập tức.
Alexandros rời khỏi Ai Cập vào mùa xuân năm 331 TCN để tiếp tục chiến dịch đông chinh của mình. Cuối mùa xuân năm đó, quân đội Macedonia hành quân về phía đông hướng sông Euphrates vào vùng Assyria (bây giờ là bắc Iraq).