Византийская практика ведения военных действий на востоке, особенно в случае столкновения с большими массами конных лучников, требовала стремительного сближения с неприятелем, чтобы избежать излишних жертв от массированного огня. Ромеи продвигались в устойчивом темпе, арьергард поддерживал установленную дистанцию, позволявшую вовремя подкрепить как центр, так и фланги, а турки, ведя непрерывный обстрел, непрерывно отходили. Однако в то время как центр не встречал вообще никакого сопротивления, на флангах турки постоянно имитировали атаки, не прекращая огня, то приближались, то снова отступали. Таким образом они вызывали замедление движения на флангах, между которыми и центром начал образовываться разрыв.
К полудню центр имперской армии достиг и захватил лагерь сельджуков, все имущество из которого было вывезено заранее, и продвигаясь все далее, к полудню вышел к горным отрогам. Потери на тот момент были минимальны, но связь с флангами уже была ослаблена. Непрерывный шквал турецких стрел вызывал сильнейшее раздражение византийских воинов, заставляя их вопреки требованиям тактики буквально бросаться на врага, чтобы принудить его к схватке. Турки изображали готовность к атаке и затем, в классическом стиле всех кочевников, притворно отступали, завлекая имперские силы в горы, где были заранее устроены засады.
Наступали сумерки. Роману не удалось заставить Арслана принять бой. По мере продвижения центра, связь с флангами все более ослабевала. Лагерь, лишившийся всякой защиты, остался далеко позади не только главных сил, но и арьергарда. Продолжение наступления в неизвестные и грозящие всякими неприятными неожиданностями горы было бы безумием. Ромейские солдаты все еще отлично слушались приказов, и хорошо организованный отход, который Роману не раз приходилось проводить в анатолийских кампаниях, казался единственным выходом.
Именно в этот момент случилось несчастье. После общего приказа к отходу центр начал отступать. Но на правом фланге сигнал был неправильно понят. И командиры, и простые воины подумали, что император погиб. Ситуация могла быть спасена правильными действиями арьергарда. Он должен был прикрыть отступающие части и позволить армии выполнить маневр без неуместной поспешности, способной вылиться в панику. Но Андроник Дука был заклятым врагом Романа IV, и из всех свидетельств современников ясно, что он преднамеренно поставил императора под удар. По команде «кругом!» части арьергарда и резерва начали марш к лагерю, бросив остальные войска на произвол судьбы. Хотя есть единственный современный событиям трактат, который пробует объяснять это действие, все остальные источники и исследования единодушны в том, что это было заранее обдуманным предательством с целью выдать императора врагам. Андроник, возможно, надеялся на смерть Романа, что расчистило бы путь к трону для клана Дука. Именно Андроник упорно распространял слух о смерти императора, чтобы убедить свои войска покинуть поле боя. Их уход вызвал полное замешательство на правом фланге. Сельджуки немедленно начали яростное общее наступление. Правое крыло ударилось в беспорядочное бегство, левое крыло Вриенний отходило в порядке, даже когда турки полностью отрезали его от центра и зашли в тыл. Все попытки Романа остановить панику и сплотить своих солдат были безуспешны. Каждая сохранившая порядок часть пробивалась сама по себе, а стрелы летели уже со всех сторон. Раненый император с небольшим отрядом гвардейцев в полном окружении держался до конца. Когда под ним убили лошадь, он еще некоторое время дрался в пешем строю, пока не был опрокинут на землю и завален трупами. Только на следующий день его откопали мародеры, опознали и доставили к султану.
Хотя к концу битвы имперская армия распалась, утверждения современников о чудовищных потерях кажутся нам необоснованными. Арьергард и резерв под командованием Андроника Дуки невредимыми вернулись в Константинополь, где Андроник немедленно включился в процесс низложения Романа. Вриенний со своими частями прорвался с боем, и его Западная полевая армия уже в следующем году активно и весьма эффективно сражалась со славянами и печенегами на Балканах. Из частей центра и правого фланга каппадокийцы сумели отойти в относительном порядке, как и некоторые гвардейские части, включая стратилатов. После сражения остатки этих подразделений собрались в Дукее (совр. Токкате — важной крепости на одной из главных дорог в Константинополь и на юго-восток от Амазеи). Там император и нашел их восемь дней спустя, после того как султан его освободил. Наряду со своим командующим Алиятом каппадокийцы и другие малоазиатские части поклялись поддержать его против узурпатора, возведенного в Константинополе после распространения ложных известий о смерти Романа в бою.