Более опытный и расчётливый полководец Тамерлан занял для битвы выгодную позицию и уничтожал источники воды на пути османской армии. Османские воины тысячами умирали от жажды и переутомления. Тамерлан расположил своё войско между измученными силами Баязида и крепостью, которая должна была служить бастионом османской обороны. 20 или 28 июля 1402 года обе армии сошлись в битве под Анкарой. По словам Шарафаддина Язди, «Баязид встал в куле, а трёх сыновей — Мусу, Ису и Мустафу — поставил позади себя. Мухаммад Челеби, старший из сыновей, встал во главе военачальников Рума». Татары из войска Баязида вскоре дезертировали и перешли на сторону Тамерлана, лишив султана четверти его войска, и это предрешило участь Баязида. Во время сражения анатолийские всадники из армии Баязида увидели своих беев в армии Тамерлана и также массово дезертировали. В ожесточённом сражении османское войско было разбито, Баязид попытался бежать, но был пленён и доставлен к Тамерлану. Историки описывали их первую встречу так: