In de zomer van 52 v.Chr. splitste Caesar zijn legioenen op zodat zijn legatus Titus Labienus met vier legioenen de opstandige Gallische Senones en Parisii kon bestrijden en Caesar zelf met de overige zes legioenen Vercingetorix kon vervolgen. De eerste dagen ontliep Vercingetorix de strijd en trok voor de Romeinen uit. Toen hij uiteindelijk terrein betrad waar hij dacht de Romeinse troepen goed te kunnen weerstaan hield hij halt. Dat was bij het bergfort van Gergovia, het huidige Clermont-Ferrand.
De eerste schermutselingen tussen Romeinen en Galliërs vonden plaats tussen de beide ruiterijen, waarbij de Romeinen terrein wonnen. Caesar besloot daarop een dubbele loopgraaf om Gergovia te bouwen om Vercingetorix en zijn mannen door deze circumvallatielinie af te snijden van bevoorrading en ze zo uit te putten.

Er ging echter iets mis in de Romeinse strategie. Zoals vaker kregen Romeinse legers te maken met afvallige, inheemse hulptroepen: in dit geval de Gallische Haedui. Een troepenmacht van 10.000 man werd als hulp naar Caesar gestuurd maar tijdens de mars richtte de legatus legionis Litaviccus zich ineens tegen Caesar, door de troepenmacht door middel van een list aan te zetten tot verraad. Midden in de belegering van Gergovia moest Caesar dan ook besluiten om met vier legioenen de Haedui tegemoet te treden om aldaar de listige woorden van Litaviccus te ontkrachten en de opstand neer te slaan, opdat zij met hun verraad niet de toon zouden zetten voor de overige Galliërs.
Caesar wist de rebellie snel de kop in te drukken, maar de achtergebleven twee legioenen onder leiding van onderbevelhebber Gaius Fabius bij Gergovia waren inmiddels zwaar onder vuur komen te liggen en konden maar ternauwernood ontzet worden door de vier legioenen die met Caesar de opstand van de Haedui hadden onderdrukt. Nu de directe dreiging van de Haedui was weggenomen had Caesar weer de handen vrij om de confrontatie aan te gaan met Vercingetorix, die een gat had laten vallen in zijn verdedigingslinie. Na een aanvankelijk succes voor de Romeinen ging er opnieuw iets mis. Toen de Romeinen de overhand leken te krijgen, gaf Caesar het bevel om terug te trekken naar beter verdedigbare grond. Dit bevel werd echter niet opgevolgd (volgens Caesar kregen de soldaten het bevel niet of negeerden ze het) en er volgde een vruchteloze bestorming van Gergovia.

Daags na de bestorming wilde Caesar Vercingetorix verleiden tot een gevecht op de vlakte, maar Vercingetorix hapte niet toe. Omdat een verdere belegering tot grote verliezen zou leiden en omdat de andere Gallische stammen zich steeds meer begonnen te roeren besloot Caesar daarom maar weer te vertrekken. Daarmee was deze militaire actie van Caesar de minst succesvolle van alle operaties zoals hij ze in zijn verslag beschrijft - sommigen spreken zelfs van een nederlaag, al kan de uitslag wellicht beter als 'onbeslist' worden beschouwd. Voor Vercingetorix was het daarentegen het hoogtepunt van zijn militaire carrière. Tijdens een bijeenkomst van Gallische stammen werd hij verkozen tot leider van alle Galliërs.

Caesar trok zich terug naar meer noordelijk gelegen gebieden, en sloot zich aan bij de legioenen van zijn belangrijkste luitenant Labienus. Hij had nu zijn hele leger bij zich (tien legioenen en zesduizend ruiters). Hiermee trok hij op naar de Romeinse legerkwartieren, maar nabij Alesia stuitten zij op het Gallische leger onder het bevel van Vercingetorix, die de aanval inzette.
Ondanks het verrassingseffect en hun numerieke meerderheid, leden de Galliërs een smadelijke nederlaag. Vercingetorix, die nu op zijn beurt door Caesar achtervolgd werd, besloot zich met zijn troepen te verschansen in de vestingstad ("oppidum") Alesia. Dit was het begin van een gedenkwaardige belegering.

De Romeinen bouwden een dubbele vestingwal met loopgraven, muren, palissaden en torens. De binnenste wal (elf kilometer lang) diende om iedere poging tot uitbreken vanuit de belegerde vesting onmogelijk te maken, de buitenste (dertien kilometer lang) om de belegeraars bescherming te bieden tegen aanvallen van Gallische hulptroepen. Zes weken lang probeerde Vercingetorix tevergeefs door de Romeinse linies te breken. Een Gallisch versterkingsleger van, volgens de bronnen, 250.000 man slaagde er evenmin in de vesting te ontzetten en moest zich terugtrekken. Honger dwong uiteindelijk de belegerden de strijd te staken: om zijn soldaten te redden gaf Vercingetorix zich aan de Romeinen over. Caesar voerde de held van Alesia na het einde van de Gallische oorlog als gevangene mee in zijn triomftocht te Rome, en liet hem 4 jaar later publiekelijk wurgen.

In de 19e eeuw betwistte een aantal historici of het beroemde beleg van Alesia wel in het huidige Alise-Sainte-Reine plaatsvond: volgens hen werd de strijd niet hier gevoerd, maar in het dorpje Alaise, in het departement Doubs. Om een einde te maken aan de controverse liet keizer Napoleon III tussen 1861 en 1865 opgravingen verrichten in de buurt van Alise-Sainte-Reine, die leken te bevestigen dat het beleg hier inderdaad plaatsvond. Toch waren de critici niet overtuigd.
Recenter onderzoek bij Chaux-des-Crotenay (in de Jura) zou er volgens de onderzoekers zelfs op wijzen dat Alesia dáár heeft gelegen. Luchtfoto’s en bodemonderzoek ondersteunen echter de stelling van Alise-Sainte-Reine. Vandaar dat in de stripreeks wordt gezegd dat niemand weet waar Alesia ligt.