Afrani i Petreu comptaven amb cinc legions, 80 cohorts (unitat tàctica de base) d’infanteria indígena i 5.000 soldats de cavalleria. Per la seva banda, Cèsar va ser capaç d’aplegar sis legions, 3.000 soldats de cavalleria de diverses nacionalitats que havien combatut en la campanya de les Gàl·lies i 3.000 guerrers gals reclutats recentment. El gruix de les tropes de Cèsar va marxar cap a Ilerda sota el comandament de Gai Fabi, que va construir dos ponts sobre el Segre al nord de la ciutat i va acampar a la riba oest. Juli Cèsar va arribar poc després i va avançar amb tots els seus homes per fer front a l’exèrcit de Pompeu. Però l’enemic, ben situat dalt del turó, va refusar la batalla a camp obert. Aleshores, Cèsar va ordenar l’excavació d’una gran trinxera i la construcció d’altres defenses, i va acampar.

La batalla estava servida. La descripció del mateix Cèsar ens hi situa com a espectadors privilegiats: “Hi havia, entre la ciutat d’Ilerda i el monticle més pròxim, on Petreu i Afrani tenien el campament [Gardeny], una planura de 300 passes de superfície i, gairebé al centre, un turó una mica més pronunciat [puig Bordell]”. Tres legions de Cèsar van formar per al combat i van provar d’ocupar el turó que hi havia entre Ilerda i el campament enemic. Però els soldats de Pompeu van reaccionar ràpidament i van defensar el turó amb èxit, encara que amb un alt cost: van patir més de dues-centes baixes. Els homes de Cèsar es van retirar comptant 70 morts i 600 ferits.

A punt de perdre la guerra
Dos dies després, la batalla d’Ilerda va estar a punt de costar la guerra a Cèsar: mentre provava d’assetjar la ciutat i pressionar-la amb atacs sorpresa, els déus van voler prendre part en l’enfrontament. O, en tot cas, això devien pensar els seus protagonistes: la primavera, amb les seves pluges torrencials, a més del desglaç propi de l’època, va provocar una enorme riuada del Segre que va inutilitzar els ponts bastits per les tropes de Cèsar. En aquells moments, la seva situació era francament incòmoda: el terreny era un fangar; la humitat, insuportable, i la higiene, impossible. I el que era encara pitjor, les possibilitats d’avituallament eren nul·les, ja que estaven al marge dret del riu, el mateix que la ciutat i les tropes enemigues, i el Segre s'havia convertit en una frontera natural infranquejable.

Però poc després l'arribada de reforços, procedents de la Gàl·lia i de pobles pirinencs, va donar a Cèsar un avantatge numèric considerable. Els pompeians, temorosos de ser assetjats, van decidir fugir d'Ilerda. L'error d'Afrani i Petreu, però, va ser marxar cap al sud i deixar que les veteranes tropes que havien conquerit la Gàl·lia els anessin a l'encalç.

Les escaramusses a la rereguarda pompeiana se succeïen dia sí, dia també, i el nombre de desercions creixia. Al final no hi hagué ni combat directe: el 2 d'agost, Afrani es rendí. La clau de la batalla fou la disciplina: mentre que els experimentats soldats de Cèsar van suportar les males condicions climàtiques i els problemes d'avituallament amb fermesa espartana, les tropes de Pompeu van deixar-se vèncer pel caos així que les van veure magres.