La început, Pompei a spus că îl poate învinge pe Cezar și poate ridica armate doar călcând cu piciorul pe pământul Italiei, dar în primăvara anului 49 î.Hr., Cezar a trecut Rubiconul și legiunile sale au năvălit în peninsulă. Pompei a abandonat Roma și și-a dus legiunile spre sud, spre Brundisium. Pompei intenționa să-și întărească armata și să pornească războiul împotriva lui Caesar în est. Nici Pompei și nici Senatul nu s-au gândit să ia cu ei vasta vistierie, gândindu-se probabil că Cezar nu ar fi îndrăznit să o ia pentru sine. Aceasta a fost lăsată în Templul lui Saturn atunci când Cezar și forțele sale au intrat în Roma.
Scăpând cu greu de Caesar la Brundisium, Pompei a trecut în Epir. Acolo, în timpul campaniei spaniole a lui Caesar, Pompei adunase o forță mare în Macedonia, cu nouă legiuni plus contingente de la aliații romani din est. Flota sa controla Adriatica. Cu toate acestea, Cezar a reușit să treacă în Epir în noiembrie 49 î.Hr. și a capturat Apollonia.
Pompei s-a luptat cu Cezar în bătălia de la Dyrrhachium (48 î.Hr.), în care Cezar a pierdut 1000 de oameni, iar Pompei 2000. Pentru că nu a urmărit în momentul înfrângerii lui Caesar, Pompei a irosit șansa de a distruge armata mult mai mică a lui Caesar. După cum a spus însuși Cezar: "Astăzi inamicul ar fi învins, dacă ar fi avut un comandant care să fie un învingător" (Plutarh, 65).
Potrivit lui Suetonius, în acest moment Cezar a spus că "acel om (Pompei) nu știe cum să câștige un război". Cu Cezar în spate, conservatorii conduși de Pompei au fugit în Grecia. Cezar și Pompei au avut ultima confruntare în bătălia de la Pharsalus din 48 î.Hr. Luptele au fost crâncene pentru ambele tabere și, deși se aștepta ca Pompei să câștige, datorită avantajului numeric, tacticile strălucite și abilitățile superioare de luptă ale veteranilor lui Cezar au dus la victoria acestuia. Pompei și-a întâlnit soția Cornelia și fiul său Sextus Pompeius pe insula Mitilene. Apoi s-a întrebat unde să meargă în continuare. A fugit în Egipt.
După ce a ajuns în Egipt, soarta lui Pompei a fost decisă de consilierii tânărului rege Ptolemeu al XIII-lea. În timp ce Pompei aștepta în largul mării, aceștia au discutat despre costul oferirii de refugiu lui Cezar, care era deja în drum spre Egipt; eunucul regelui, Pothinus, a avut câștig de cauză. Potrivit lui Plutarh, Cornelia a privit cu nerăbdare de pe trireme cum Pompei a plecat într-o barcă mică împreună cu câțiva camarazi și s-a îndreptat spre o petrecere de bun venit pe țărmul egiptean. În timp ce Pompei cobora din barcă, a fost înjunghiat mortal de oameni care urmau ordinele lui Pothinus.
Pompei a murit la o zi după ce a împlinit 59 de ani. Trupul său a rămas pe țărm, urmând să fie incinerat de către loialul său om liber Filip pe scândurile putrede ale unei bărci de pescuit. Capul și sigiliul său au fost prezentate lui Cezar, care, potrivit lui Plutarh, a deplâns această insultă adusă măreției fostului său aliat. Cezar i-a pedepsit pe asasinii săi și pe complicii lor egipteni, condamnându-i la moarte atât pe Achillas, cât și pe Pothinus. Cenușa lui Pompei a fost în cele din urmă returnată Corneliei, care a dus-o la casa sa de la țară de lângă Alba.
Cassius Dio descrie cu scepticism reacțiile lui Caesar. El crede că propriile greșeli politice ale lui Pompei, mai degrabă decât trădarea, au fost cauza căderii sale. În relatarea lui Appian despre războiul civil, Cezar a cerut ca capul tăiat al lui Pompei să fie îngropat în Alexandria, în pământul rezervat pentru un nou templu dedicat zeiței Nemesis. Printre funcțiile divine ale lui Nemesis (~ soarta) se număra pedepsirea hubris-ului (mândria). Pentru Pliniu, umilința sfârșitului lui Pompei este pusă în contrast cu capul-portret supradimensionat al acestuia, împânzit cu perle și purtat în procesiune în timpul celui mai mare Triumf al său.
