Взяв на службу греческую наемную конницу и пехоту и проведя очередной набор рекрутов в Македонии, Александр довел численность своей пехоты до 40 тысяч человек, а конницы – до 7 тысяч, причем все это были войска первой линии. Он полагался на тактическое мастерство своих конных эскадронов, которое компенсировало бы численное превосходство врага. Фессалийцы были обучены маневру в ромбовидном строю, а македоняне – в клиновидном, благодаря чему они могли одинаково быстро повернуть или нанести сокрушительный удар. Например, при Иссе маневр фессалийской тяжелой конницы предотвратил катастрофу. Когда армия выступила из Тира, Парменион с авангардом стал наводить переправу через Евфрат в Фапсаке. После того как Александр прибыл, Мазей отступил. Перейдя реку по двум мостам, Александр со своей конницей отогнал Мазея, переправил свой тяжеелый обоз через стремительный Тигр по броду (около Абу-Ваджнама) и на четыре дня остановился около Ниневии, чтобы дать отдых людям. Вскоре после рассвета он пересек кряж около Гавгамельской равнины, велел армии укреплять лагерь и вместе с конницей произвел разведку местности. В ту ночь его армия спала, а войска Дария, не имевшие укреплений, простояли до утра во всеоружии.
1 октября 331 г. Александр со своей армией оказался примерно в трех милях от врага, отрядив часть фракийской пехоты на охрану обоза и пленных, в число которых входили и родственницы царя. Перед Александром стояла сложная задача: как провести тяжелую пехоту через равнину, чтобы подойти к вражескому строю на расстояние удара. На случай, если полчища персидской конницы окружат его пехоту на открытой равнине, он построил войско в такой боевой порядок, из которого оно могло бы перестроиться в прямоугольник либо растянуться в линию. За фалангой, стоявшей в центре, и гипаспистами справа от нее, на небольшом расстоянии следовала более тонкая цепочка пехоты, которая могла при необходимости повернуться кругом. Строй фаланги продолжали фессалийская и союзная конницы слева и конница гетайров справа. На обоих флангах Александр под тупым углом разместил силы прикрытия, которые могли в зависимости от обстановки либо продолжить строй, либо отступить, образуя короткие края прямоугольника. Прикрытие на левом фланге состояло из греческой, фракийской и одрисийской конниц. Прикрытие на правом фланге было двойным: впереди шла легкая конница из Македонии и Пеонии, а за ними половина агрианян с лучниками и греческие наемники. Перед левой оконечностью строя Александр поставил отряд греческой наемной конницы, а перед правой – конную царскую гвардию (agema), которую возглавлял лично; впереди него находился заслон из агрианян, лучников и метателей дротиков, правее них – отряд греческой наемной конницы.
Развернув свое войско перед армией Дария, строй которой был намного длиннее, Александр начал наступление на персов правым флангом, строем наискось; более того, он приказал при наступлении смещаться вправо, в сторону неровной местности около Тигра. Он намеревался выманить персов с их подготовленной позиции, а затем ударить в левую часть персидского центра сильными войсками своего правого фланга – конницей гетайров и гипаспистами. При этом он рисковал, так как персидская конница могла окружить оба фланга и остановить македонское наступление, прежде чем гипасписты и фаланга атакуют на вражеский центр.
Персы перед центром своего строя разместили 50 колесниц и сильную конницу. За ними находился Дарий на колеснице с царской конной гвардией, своим окружением, греческими наемниками, персидской гвардейской пехотой и мардианскими лучниками. Позади Дария стояла вторым рядом менее боеспособная пехота. По обе стороны от центра Дарий поставил конницу и пехоту; перед правым флангом находились 50 колесниц и перед левым – 100. Оба фланга были укреплены первоклассной конницей. Правым флангом командовал Мазей. Бесс на левом фланге возглавлял передовой отряд скифской и бактрийской конниц, вспомогательный отряд бактрийской и прочей конницы и связующее звено из персидской пехоты и конницы. Дарий планировал рассеять македонскую фалангу колесницами, обойти ее с обоих флангов сильными конными отрядами, а центр использовать главным образом как опору, от которой начнут наступление оба фланга. Таким образом, он рассчитывал на окружение, в то время как целью Александра был прорыв.