وی پنجم مارس سال ۳۶۳ میلادی از فرصت دور بودن شاپور از پایتخت استفاده کرد و با ۹۰ هزار لژیونر عازم ایران شد. شاپور دوم برای سرکوب کردن باقیمانده طوایف هون به آن سوی ورارود (آسیای میانه) رفته بود. شاپور قبلا دوبار دست به حمله نظامی به قلمرو کنستانتین دوم زده و دست رومیان را از مناطق متعدد در آسیای غربی کوتاه کرده بود. ژولیان در رساندن خود به پشت دیوارهای پایتخت ایران به قدری شتاب کرد که منتظر پیوستن ۳۰ هزار تن از نظامیانش نشد که آنان را قبلا روانه ارمنستان ساخته بود. شاپور دوم پس از آگاه شدن از لشکرکشی ژولیان، با عجله عزم بازگشت به پایتخت کرد و تا رساندن خود به واحدهای اصلی ارتش، سپاه سپهبد مرنا را مامور متوقف ساختن ژولیان کرده بود. سپهبد مرنا در نبرد بیست و نهم ماه مه موفق به متوقف ساختن ژولیان شد که قصد او تصرف پایتخت ایران زمین بود. افسران ژولیان که متوجه نزدیک شدن شاپور دوم با سواره نظام زره پوش و به نوشته مارسه لیوس، دارای زره و واحدهای فیل سوار زوبین انداز شده بودند، از ژولیان خواستند که تا رسیدن ۳۰ هزار سرباز کمکی به سامرا عقب نشینی کند که پذیرفت، ولی شاپور و مرنا از تعقیب او دست برنداشتند و ۲۶ ژوئن (۲۷ روز بعد) در حاشیه سامرا نیروهای رومی را پیش از اینکه به‌صورت هلال آرایش یابند به محاصره درآوردند.

در جریان جنگ، یک سرباز ایرانی زوبینی به سوی ژولیان پرتاب کرد که بر پهلوی او نشست و چند ساعت بعد درگذشت. در پی در گذشت ژولیان، ژنرال‌های رومی ژوویان را به سمت امپراتور موقت انتخاب کردند که وی چون توان و استعداد جنگیدن در نیروهای رومی ندید با شاپور صلح کرد و از پنج منطقه بزرگ در شرق مدیترانه و هرگونه ادعای روم در ارمنستان صرف‌نظر کرد و متعهد شد که شخصا به مناطق پنج‌گانه مراجعه کند و به دست خود پرچم ایران در آنجا برافرازد که چنین کرد و این عمل در تاریخ امپراتوری روم یک تحقیر خوانده شده است. شاپور دوم که ۷۰ سال بر ایران حکومت کرد و شهر نیشابور را در خراسان ساخت به روش شاپور اول، دستور داد که مجسمه‌هایی بسازند که کشتگان رومی را در زیر پای سواره نظام ایران نشان دهد تا این پیروزی هرگز فراموش نشود و به سان شاپور اول، اسیران رومی را برای کار کشاورزی به خوزستان فرستاد.