Ктесифон был найден неприступным даже для 83-тысячного войска, хотя ранее римские войска уже трижды овладевали этим городом. Положение усугублялось тем, что римские подкрепления и армянские союзники, которым надлежало нанести удар по Ктесифону с севера, не явились. Один перс, человек старый, уважаемый и очень рассудительный, обещал Юлиану предать Персидское царство и вызвался быть проводником внутрь Персии. Юлиан сжёг свой флот, стоявший на Тигре, и излишек продовольствия; но изменник завёл римлян в Карманитскую пустыню, где не было вовсе воды и никакой пищи. После бегства проводников, Юлиан был вынужден начать отступление, теснимый неприятельскими войсками. 26 июня 363 года в битве при Маранге Юлиан получил три ранения: в руку, грудь и печень. Последняя рана была смертельной. По некоторым сообщениям, раны были нанесены солдатом его собственной армии, чем-то обиженным им. Согласно другим слухам, смерть Юлиана была на самом деле самоубийством: поняв, что положение его армии безнадёжно, он искал смерти в бою и кинулся на вражеское копье. Из всех его современников лишь его друг, знаменитый оратор Либаний, сообщает, что его убил христианин, однако и он признает, что это лишь предположение. Языческий историк Аммиан Марцеллин (XXV. 3. 2 — 23) пишет о смерти Юлиана как о трагическом несчастном случае, вызванном неосторожностью:
«Вдруг император, который в этот момент вышел немного вперед для осмотра местности и был без оружия, получил известие, что на наш арьергард неожиданно сделано нападение с тыла. 3. Взволнованный этим неприятным известием, он забыл о панцире, схватил в тревоге лишь щит и поспешил на помощь арьергарду, но его отвлекло назад другое грозное известие о том, что передовой отряд, который он только что оставил, находится в такой же опасности. 4. Пока он, забыв о личной опасности, спешил восстановить здесь порядок, персидский отряд катафрактов совершил нападение на находившиеся в центре наши центурии. Заставив податься левое крыло, неприятель стремительно стал нас окружать и повел бой копьями и всякими метательными снарядами, а наши едва выдерживали запах слонов и издаваемый ими страшный рев. 5. Император поспешил сюда и бросился в первые ряды сражавшихся, а наши легковооруженные устремились вперед и стали рубить поворачивавших персов и их зверей в спины и сухожилия. 6. Забывая о себе, Юлиан, подняв руки с криком, старался показать своим, что враг в страхе отступил, возбуждал ожесточение преследовавших и с безумной отвагой сам бросался в бой. Кандидаты, которых разогнала паника, кричали ему с разных сторон, чтобы он держался подальше от толпы бегущих, как от обвала готового рухнуть здания, и, неизвестно откуда, внезапно ударило его кавалерийское копье, рассекло кожу на руке, пробило ребра и застряло в нижней части печени. 7. Пытаясь вырвать его правой рукой, он почувствовал, что разрезал себе острым с обеих сторон лезвием жилы пальцев, и упал с лошади. Быстро бежали к нему видевшие это люди и отнесли его в лагерь, где ему была оказана медицинская помощь. 23. …Все умолкли, лишь сам он глубокомысленно рассуждал с философами Максимом и Приском о высоких свойствах духа человеческого. Но вдруг шире раскрылась рана на его пробитом боку, от усилившегося кровотечения он впал в забытье, а в самую полночь потребовал холодной воды и, утолив жажду, легко расстался с жизнью…».
Один из телохранителей Юлиана уверял, что император был убит завистливым злым духом. Так же противоречивы сведения относительно последних слов Юлиана. Современный ему источник сообщает, что император, собрав свою кровь в пригоршню, бросил её в солнце со словами к своему богу: «Будь удовлетворён!». Около 450 г. Феодорит Кирский записал, что перед смертью Юлиан воскликнул: «Ты победил, Галилеянин!». Однако очевидец и участник событий Аммиан Марцеллин (см. выше) ничего подобного не сообщает. Скорее всего, знаменитая последняя фраза Юлиана вложена в его уста церковными историками.