Считается, что персидские колесницы были серпоносными. Серпы якобы крепились на колёсах и впереди на дышле. Если расположение серпов на дышле колесницы не вызывает вопросов, то расположение их на колёсах более чем спорно, так как малейшее препятствие в таком случае могло привести к поломке серпа или опрокидыванию колесницы. Впрочем, Курций Руф считает, что персы поджидали Александра под Гавгамелами и специально выравнивали поле будущего боя для атаки колесниц.
Использовались в битве и боевые слоны. Обычно на них располагался экипаж из 2–3 человек и погонщика. Из оружия использовались луки, дротики и иногда особо длинные копья. Источники упоминают о наличии в персидской армии всадников, ездивших на верблюдах, но большого распространения эти отряды не имели.
Возглавлявший персидское войско под Гавгамелами царь Дарий до этого как полководец себя нигде особо не зарекомендовал. Более того, он дважды бежал с поля боя, когда Александр шёл ва-банк и пытался навязать ему лично рукопашную схватку.
Для сражения Александр построил своё войско следующим образом: на правом фланге стала македонская конница «друзей» под командованием Филоты; это были илы Клита, Главкия, Аристона, Сополида, Гераклида, Деметрия, Мелеагра, Гегелоха; в центре стояла фаланга и вспомогательные отряды пехоты; на левом фланге была поставлена конница союзников, наёмников, на оконечности фланга стала фессалийская конница; часть войск — агриане, иллирийцы и греки-наёмники — составили особую вторую линию, прикрытую вспомогательными отрядами.
Левое крыло Александр поручил Пармениону, сам возглавил правое.
Дарий в центре поставил персидскую пехоту (гвардию), мардов-лучников и встал сам в окружении своих родственников. По обе стороны от персов-гвардейцев расположились греки-наёмники, которые одни могли противостоять македонской фаланге. Инды, карийцы, уксии, вавилоняне, ситакены стояли в глубине строя. Здесь же стояли слоны и 50 колесниц. На левом фланге располагалась скифская, бактрийская и персидская конница. Скифы и бактрийцы стояли впереди, персы вперемежку с лёгкой пехотой — за ними. Здесь же находились 100 колесниц с косами. На правом фланге в первой линии за 50 колесницами выстроилась армянская и каппадокийская конница, а за ней сирийцы, мидийцы, парфяне, саки, гирканцы, албанцы и другие вспомогательные конные отряды и лёгкая пехота. Правый фланг войска возглавлял Мазей, левый — Бесс.
Ещё до сближения сторон перебежчик из персидского лагеря сообщил Александру, что Дарий велел зарыть в землю железные шипы там, где ожидалось наступление македонской конницы, и создал тем самым своеобразные «минные поля». Однако персидской коннице эти опасные площади были известны, благодаря особым знакам.
Исходя из сложившейся ситуации, Александр оттянул фланги, правый фланг подкрепил, подвинув вторую линию греческих наёмников. Своими действиями он провоцировал персов самих атаковать фланги македонского войска и тем самым выявить площади, безопасные для прохождения конницы, но главное — втянуться в сражение на флангах, ослабить свой центр, который Александр предполагал атаковать в решающий момент своей фалангой.
Увидев, что в рядах македонской армии происходят перемещения и фаланга вот-вот выйдет за пределы особо выровненной территории, по которой намечалась атака персидских колесниц, Дарий отдал приказ начать сражение.
Как и предполагалось, персидская конница на флангах атаковала. Бесс втянулся в затяжной бой на правом фланге македонской армии и слал отряд за отрядом в подкрепление. Мазей, далеко обходя, левый фланг македонцев, послал тысячу всадников напасть на лагерь Александра. Персы налетели на обоз, пленные перебили охрану, вооружились и присоединились к своей коннице, и все они вместе стали грабить обоз и лагерь.
В центре Дарий бросил вперёд колесницы с серпами, прикреплёнными к колёсам, и с копьями, торчащими из дышла. Лёгкая пехота македонской армии не выдержала и побежала. Колесницы врезались в фалангу. Как явствует из источников, строй македонцев «стал подобен валу». Видимо, под непосредственным воздействием колесниц македонцы ложились, прикрываясь щитами, а затем поднимались. В то же время фалангисты, оказавшиеся в стороне от движения колесницы, поражали лошадей и колесничих копьями с боков. Лишь немногие колесницы достигли последних рядов фаланги и здесь искромсали, изранили немало македонцев, поскольку воины, вооружённые сариссами, которые они держали обеими руками, не имели щитов и защитного вооружения.