Через своих лазутчиков Тамерлан предложил татарам, входившим в войско Баязида, перейти на его сторону, пообещав им выдать давно не выплачиваемое скупым султаном жалованье. Кроме такой дипломатической подготовки, Тамерлан приказал осуществить и кое-какие инженерные работы. Так, его люди с помощью прорытого в кратчайшие сроки канала отвели воду небольшой речки Чубук в сторону, в специально подготовленный резервуар, лишив таким образом противника совершенно необходимого на поле битвы ресурса. Вода для средневековой армии не менее важна, чем бензин – для современной. Начинать с десятками тысяч солдат и лошадей крупное сражение, если рядом нет хотя бы ручейка, смерти подобно. Особенно в Малой Азии в июле. А ведь именно в таком положении оказался Баязид. Битва состоялась 20 июля 1402 года. За несколько дней до нее султан провел еще и совершенно необязательную, но изнурительную охоту.
Данные о количестве войск в стане обоих противников сильно разнятся. Армия Тамерлана, возможно, состояла из 140 тысяч воинов. В войске было также 32 боевых слона. Численность турок, по разным оценкам, колебалась от 70 до 200 тысяч человек.
Баязид построил свои войска тылом к горам, перекрыв левым флангом дорогу, ведущую из Анкары в северо-восточные провинции. На правом фланге стояли азиатские войска под командой Сулеймана, сына султана. В их состав входили татары (18 тысяч) и войска анатолийских беев (тоже 18 тысяч). В центре на возвышенности находились янычары, за ними в низине – кавалерийский резерв из тяжелой конницы (сипахов). Левый фланг составили войска из подвластных туркам сербов под командованием Стефана Лазаревича. Таким образом, в турецком войске наиболее сильным оказался центр боевого порядка. Войска Тамерлана были выстроены в три линии. Первая линия сама по себе состояла из трех подлиний: сначала авангард в рассыпном строю, затем слоны и, наконец, главный авангард сплошной линией. Вторая линия Тамерлана состояла из выдвинутой выступом на флангах кавалерии. В третьей линии находился отборный резерв.
Сражение началось с того, что правое крыло авангарда атаковало сербов. Эти атаки были отражены. Тогда на балканских славян обрушился весь правый фланг войск противника. Целью наступления было отбросить армию Баязида с Анкарской дороги и прижать к горам. Однако сербы сражались упорно. Скупой на похвалу Тамерлан даже заметил своей свите: «Эти оборвыши бьются, как львы». Слева его воины действовали более успешно – татары довольно быстро перекинулись на сторону противника, Сулейман начал постепенно отступать со своим флангом на запад. Его братья также с частью сил покинули поле боя: Мухаммед подался на северо-восток в горы, Иса бросился на юг.
На правом фланге была повторена атака на сербов. Те были отрезаны от основных сил Баязида, но смогли все же прорваться в центр и соединиться с янычарами. Однако силы уже были неравны. В конце концов турки были сброшены с дороги и оттеснены к горам. Тамерлан бросил свой резерв «дожимать» противника. Анатолийские беи, не дожидаясь схватки со свежими силами, перешли на сторону Тамерлана. Сербы же, поняв, что происходит, стали отходить за Сулейманом на запад, в Бруссу. До начала этого отхода Стефан предложил султану спасаться, но тот изъявил желание сражаться до конца. Вскоре его янычары были окружены и уничтожены. То же произошло и со значительной частью турецкого конного резерва. Султан Баязид с небольшим отрядом отражал нападения врага до ночи, наконец попытался покинуть поле боя, но его лошадь пала, его пленил и представил своему повелителю один из ханов чагатайской орды Мамуд. Погоня за основными силами бегущих турок продолжалась в течение пяти суток, и изначально ее вели 30 тысяч воинов Тамерлана. Сулейман еле успел добраться до моря, где сел на корабль и спешно отбыл.
Таким образом, в одном из крупнейших сражений в мировой истории Баязид Молниеносный встретился с гораздо более сильным соперником – талантливым полководцем, мудрым стратегом, хитрым дипломатом и решительным политиком. Рассказывают, что Тамерлан, когда к нему привели султана, сказал: «Видно, судьба невысоко ценит власть и обладание обширными царствами, когда раздает их калекам – тебе, кривому, и мне, хромому». (Баязид был одноглазым.) Султана посадили в железную клетку и еще некоторое время возили за Тамерланом. Вместо того чтобы выполнить обещание и обесчестить гарем Тамерлана, султан вынужден был наблюдать, как его жены в голом виде прислуживают сопернику. Воины Тамерлана после Анкары разрушили османскую столицу Бруссу и даже Измир (Смирну), принадлежавший родосским рыцарям-иоаннитам.