最初的膠着
阿萊西亞的城址所在曾經衆說紛雲。後來經過拿破崙三世時代的實地考察和後世考古學家先後長達一百多年的發掘考察，終於將它定位於當代法國科多爾省境內的奧索瓦山。
奧索瓦山高約407米，山腳下有兩條小河流經過，山的東、南、北三面都有其他差不多海拔的高地相對，西面則延伸出較爲開闊的平原。阿萊西亞就建立在奧索瓦山頂，是一座典型的凱爾特式要塞。圍牆將山頂的立足之地幾乎全部圈入，塹壕、堡壘一應俱全，以凱撒此時的兵力和處境直接強攻是不現實的。如果圍城的話，因爲地形的起伏落差大，又有河流穿插其間，羅馬人的工事施工效率會大打折扣，各個戰鬥單元相互間的呼應與支援難度不小。
凱撒修築工事進行圍城，在他的《高盧戰記》中詳細描寫了圍牆的結構。在三個星期內他的工程師和士兵建造了一道長18羅裏，高四米的圍牆。圍牆的內部(即朝被包圍的要塞的一面)還有一道四米半寬、約一米半深的溝。離要塞最近的溝裏引用周圍河流的水灌了水。溝前還設置了陷阱等全套，圍牆上的瞭望臺上佈置了羅馬弓箭手。
此時的維欽託利同樣感到焦慮。之前的正面交戰中，維欽託利損失了不少騎兵，又在撤退中被緊隨的羅馬軍隊殲滅了3000多人。包圍他的羅馬軍團加上異族輔助部隊至多6萬人。好在圍城工事圈散佈在幾十公里的範圍內，薄弱點不在少數。
剛開始，高盧人並不願意放任羅馬人輕鬆構築工事，便派出騎兵主動攻擊。他們在兵力稀薄的突破口一度佔了上風，但最終無法抵敵增援的日耳曼騎兵和羅馬軍團，紛紛逃回城中。維欽託利見勢不妙，馬上收攏守軍。守軍放棄了外圍的防禦工事，緊閉城門，準備集中力量守住阿萊西亞主城。
維欽託利觀察到，羅馬人仍零零散散地在各處忙於土木作業，暴露的防線缺口還有很多，可以加以利用。他便把全部騎兵召集起來，命令他們不惜一切代價衝出包圍圈。這不僅緩解了城內糧草不足的危機，也可以同時向周圍的其他部落尋求支援。
少數被羅馬人俘虜的騎兵將計劃透給了凱撒，他意識到被敵人從這麼多地方突破出去，原有的工程肯定是不合格的。於是羅馬人在面城的一方加挖壕溝，並且把河水引入溝內。又在溝的後方立起高牆和壁壘，溝與牆壘之間的銜接處插滿了尖木樁。圍繞整個工事的，是每隔二十四米就有一座的塔樓。
還不放心的凱撒又設計構築了若干銜接的深溝，裏面用尖木樁和鐵鉤填滿，再進行掩蓋僞裝，以應對任何可能出現的敵軍大部隊突圍。
逃離的高盧騎兵肯定會很快引來援軍。所以在完成圍城工事後，凱撒馬不停蹄地帶着羅馬人在外圍修築了同樣的工事，專門用來阻隔高盧援兵(外圍牆的設計與內圍牆完全一樣，全長21羅裏，還包括四座騎兵營)。
最後，他命令全軍收集起三十天的糧草，固守工事，儘量避免零散出營。
殊死一搏
維欽託利給騎兵的指令是，要求所有高盧首領集結起一切能參戰的人，與羅馬人做生死決鬥。各大酋長們在哄哄鬧鬧的會議後，終於達成共識，按照議定的人數標準各自派遣勇士出征。
關於這支高盧援軍，凱撒在自己戰記中同樣給出了一個誇張的數字：8000騎兵和250000步兵。但後世的軍神拿破崙卻從自身經驗出發，認爲援兵無論從機動情況還是紮營的狀態來看都不像是兵力大大超過羅馬軍隊的，反而更有可能數量相當。不過這並不能消除凱撒的危局，援軍和守軍加起來的力量肯定是要超過他的。羅馬人分散在綿亙數十里的工事裏，敵人任何成功的裏應外合行動都是巨大的威脅。
意氣風發的高盧聯合援軍肯定想象不到，他們竟然會同時被敵對雙方的統帥熱切期盼着。維欽託利自不必說，他囤積的三十天糧草已經快耗光了。
維欽託利決定把婦女兒童驅逐出城外來省糧，此外他還希望凱撒會打開一段圍牆把這些平民放出去，而他則可以乘機打破羅馬人的包圍(這也是維欽託利在反抗運動中惟一個人名譽上的污點)。但是凱撒下令不許放平民、婦女兒童出牆，因此這些人處於內圍牆和城牆之間的無人之地裏，就這麼在兩軍陣前活活餓死。
這些人是城內士兵的親戚，他們這樣的狀況大大地打擊了城內守兵的士氣。雖然維欽託利不斷鼓舞他的士兵的士氣，但是他面臨着自己人投降的危險。就在這個即將絕望的關頭援兵到達，給城內的士兵帶來了新的希望。
當援軍出現於雙方視野時，阿萊西亞陷入狂歡的氛圍。他們迫不及待地走出城牆，列陣填溝，做好一切突圍的準備。在以前的騎兵戰中吃了很多虧之後，他們採取了新的戰術，在騎兵隊伍中混入輕裝步兵和弓箭手。一旦己方騎兵被擊退，這些輕步兵就衝出來提供防護。羅馬人頂着數量佔優的高盧聯軍，從中午一直鏖戰到日落。最後出來決定結果的還是剽悍的日耳曼騎兵。他們不但打退了力戰的高盧騎兵，還殺光了保護騎兵的弓箭手。失利的高盧人只得撤回城中，策劃接下來的戰鬥。
援軍見白天的戰況不利，便寄望於夜間突襲。半夜時分，他們帶着攀爬工具靠近羅馬人的工事，並用喊叫聲向城內示意。於是，城內的人也即刻行動起來，與援軍夾攻羅馬人的壁壘。可能喊叫呼應的方式過於原始，羅馬人也會容易得悉，並且能夠及時作出反應。軍團士兵們很快奔赴自己的崗位，使用投射機械與襲擊者交戰。雖然多處防線遇警，馬克·安東尼都能從容調度各個部分和預備隊相互支援。
高盧人利用人數優勢努力接近工事，但一次次的被投射機械逼退，丟下了許多屍體。快到天亮時分，他們擔心側翼徹底暴露給羅馬人，便撤離了戰場。另一邊的維欽託利還正在帶人使勁填溝。結果他們拖得實在太久，還沒怎麼完成的情況下就發現援軍已經跑了，只能又徒勞無功地回城。
最後的突襲
日夜強攻都撼動不了羅馬人的防線，高盧聯軍只得另闢蹊徑。他們經過對附近地形的查探和研究，發現了羅馬防線最薄弱的一個點。這裏是阿萊西亞北面的山地，因爲範圍過大，羅馬人的防禦工事無法將其全部圍住，只能在平坦一點的坡面上紮營。而且這一帶是三股水流的匯合點，地形相對破碎，羅馬人的營寨之間難以迅速地實現互相支援。高盧大軍把這看成是最佳的戰機，他們召集起最精銳的大部隊，準備一口氣從此處衝進羅馬防線的內部，直接聯合到城內的盟軍。
10月2日，維欽託利的一個表兄弟維卡西維爾老努斯(Vercassivellaunos)帶領號稱六萬人進行總攻。中午時分，他們擺好陣勢快速向陣地推進。一直在城內高處密切注視戰局的維欽託利看到援軍的新動向後再次振奮不已。他馬上召集人馬，帶着突圍用的各種工具殺出城牆。羅馬人終於感受到了真正的危機。他們稀薄地分散在綿長的工事上，眼睜睜看着高盧聯軍如潮水般從內外同時涌向最脆弱的地段。高盧人的行動非常突然，並且幾乎是致命性的，羅馬士兵們夾在兩支狂吼的敵軍中惴惴不安。眼下，戰無不勝的羅馬人不敢貿然行動，只能小心翼翼的守在自己的位置，等候統帥的指令。
凱撒這個時候也沒有太多的辦法，他尋找到視野開闊的地點，指揮調度各個部分的戰鬥，其實也就是拆東牆補西牆了。高盧聯軍戰鬥方式勇猛而有序。前方的武士在盾牌和盾車的掩護下步步推進，一邊向羅馬人投擲矛矢，一邊用泥土填平壕塹。如果頂在最前面的人體力耗盡，後面的生力軍就會馬上前來替換。羅馬人外圍的樁刺壕溝被全部填平，大軍全面進入的道路被打通了。
幸好，當外圍戰場的高盧援軍一鼓作氣之時，城內出來的維欽託利和他的隊伍提供不了實質的支援。他自己的兵力太少，裏面的羅馬工事又幾乎沒什麼弱點，他根本沒法像援軍一樣形成泰山壓頂的攻勢。在很多次不成功的嘗試後，維欽託利帶着一籌莫展的部下又撤出戰場。
由於他的退出，羅馬人也就不用兩面應戰了。凱撒趕緊從圍城防線中抽調部隊，增援在外面苦苦支撐的拉比努斯。拉比努斯看到死守工事無望，便將兵力全部抽離，繞到高盧人的後方去。同時凱撒也帶着援軍直撲高盧人的側後，他穿着標誌性的罩袍高調奔馳在戰場，這無異於爲苦戰的士兵們注入了一劑強心針。羅馬人也釋放着戰吼殺向高盧援軍。由於他們突然出現於後方，同陣的又是多次讓凱爾特人喪膽的日耳曼騎兵，聯軍徹底放棄戰鬥，四散奔逃。潰軍大部分被殺於亂軍中，剩下的都狂奔回了族落的領地。
第二天，大勢已去的維欽託利從阿萊西亞走出，向凱撒投降。他自己則淪爲了凱撒凱旋儀式的戰利品，六年之後死於囚禁中(一說被絞死)。
阿萊西亞戰役的失敗，撲滅了高盧人最後的希望火種，他們大部分人的樂土、財富和生命都被羅馬人欣慰地收入囊中。這一戰同樣也使凱撒的軍事生涯步入了巔峯。
