Примерно в это же время союзники Баязида, султан Багдада Ахмад Джалайир и вождь туркоманского племенного союза Карако-юнлу («Черные овцы»), с центром на озере Ван в восточной Малой Азии, убедили его отправиться в поход, чтобы захватить несколько мамлюкских крепостей к западу от Ефрата. В какой-то степени им это удалось, но серьезно оскорбило Тамерлана. Летом 1400 года, пока Баязид был занят осадой Константинополя, Тамерлан взял Сивас, а затем наступал к югу вдоль Ефрата на территорию мамлюков до самого Дамаска, прежде чем повернуть на Азербайджан.

Армии Тамерлана и Баязида встретились под Анкарой 28 июля 1402 года. Тамерлан выставил около 140 000 воинов, в то время как в армии Баязида было 85 000. В свои ряды Тамерлан мог зачислить недовольных бывших правителей эмиратов западной Малой Азии, чьи земли перешли под контроль османов вскоре после того, как Баязид взошел на трон. Эти правители, смещенные эмиры Айдына, Сарухана, Ментеше и Гермияна, нашли убежище при дворе Тамерлана, в то время как воины, которые некогда клялись им в верности, были теперь подданными Баязида и находились под его командованием. Собственные конница и пехота Баязида составляли ядро его армии — среди последних были янычары, на турецком «ени чери», что означает «новое войско», пехотный корпус, который изначально был сформирован при султане Мураде I из военнопленных, захваченных в христианских землях на Балканах, и был закреплен с помощью взимания налога мальчиками среди балканских христианских вассалов для обеспечения надежного источника военной силы.[5] Также в армии Баязида были его вассал Стефан Лазаревич Сербский и валахи из недавно завоеванной Фессалии. Дополнительная помощь пришла от «татар», которые, как отмечает Иоганн Шильтбергер в своем кратком свидетельстве очевидца о битве, в которой он стал пленником Тамерлана, насчитывали 30 000 воинов из «белых тартар», предположительно они бежали на запад со своих земель к северу от Каспийского и Черного морей до наступления Тимура. Этот факт недавно был подвергнут сомнению, и похоже, что эти «татары», наоборот, принадлежали к туркоманским родам из восточной Малой Азии.

Битва продолжалась весь день. Противостоящие друг другу армии были выстроены в схожем порядке с правителями в центре в окружении пехоты — в случае Баязида янычарами — с кавалерией на флангах. Самое раннее описание сражения принадлежит Кретану, который сражался на стороне Баязида, но бежал с поля боя:

Комментаторы отметили, что армия Тамерлана подошла к Анкаре первой и расположилась лагерем у реки, оставив воинов Баязида и их коней без воды. Шильтбергер пишет, что у Тамерлана было 32 обученных слона, со спин которых метали в османских солдат знаменитую зажигательную смесь, известную как «греческий огонь». Это хорошо объясняет то замешательство, которое заставило Баязида поверить, что он одержал верх, лишь для того чтобы оказаться окруженным и побежденным. Османские летописцы тем не менее сходятся во мнении, что Баязид проиграл битву из-за дезертирства многих его солдат: и многочисленных «татар» и войска из когда-то независимых эмиратов западной Малой Азии, которые не стали сражаться. Баязид и его сын Муса были пленены, а возможно, и его сербская жена и сын Мустафа. Его сыновья Иса, Сулейман и Мех-мед бежали. Завоевания Баязида были уничтожены в один день. До нашествия Тамерлана его владения простирались от Дуная почти до самого Евфрата; теперь же османская территория была резко сокращена до той, что была завещана ему его отцом в 1389 году. Восьмилетняя блокада Константинополя закончилась. Тамерлан вернул земли эмирам Карамана, Гермияна, Айдына, Сарухана и Ментеше и подкрепил свои притязания на остаток владений Баязида в Малой Азии годичным набегом.

Приступив к написанию истории поражения Баязида под Анкарой, летописцы искали объяснение катастрофы, которая произошла с османами. Хронист XV в. Ашикпашазаде возлагает вину за поражение на Баязида, обвиняя его в распутстве — точка зрения, с которой соглашаются современники султана — и обвиняя его сербскую жену в поощрении к пьянству; он также порицает визиря Баязида Чандарли Али-пашу за общение со священниками, чьи религиозные убеждения были сомнительны. Победа Тамерлана была унизительной, но для последующих поколений гораздо большим основанием для сожаления стала последующая борьба между сыновьями Баязида за наследство. В то время как принц Муса и, возможно, принц Мустафа после битвы под Анкарой находились в руках Тамерлана, Сулейман, Мехмед и Иса бросились искать союзников для поддержания их личных претензий на трон. Еще один сын, Юсуф, нашел убежище в Константинополе, принял христианство и был крещен Димитрием. Следующие 20 лет несли с собой смуту и страдания для Османского государства в беспрецедентных масштабах.

В своем позорном поражении когда-то могущественный правитель Баязид стал трагической фигурой. И хотя османские летописцы, спустя столетие после битвы при Анкаре, будучи тронутыми его судьбой, написали о Тамерлане, посадившем Баязида в железную клетку и возившем униженного султана с собой в победоносном шествии по Малой Азии, историки считают это нереальным. Более современные османские писатели утверждали, что он сам наложил на себя руки, не вынеся бесчестья поражения. Правда о судьбе султана Баязида оказалась более прозаичной: по сообщению Шильтбергера он умер естественной смертью в марте 1403 года в городе Акшехир в западно-центральной Малой Азии. Его тело было мумифицировано и хранилось сначала в гробнице сельджукского святого. Историки того времени говорят, что его сын Муса вскоре получил у Тамерлана разрешение перевезти тело в Бурсу. Судя по надписи на гробнице, возведенной для него сыном Сулейманом, он был похоронен в 1406 году. Несколько десятилетий спустя византийский историк Дука написал, что могила Баязида была осквернена, а останки эксгумированы караманским беем Алаеддином в отместку за то, что Баязид казнил его отца в Конье в 1397 году.

Поражение султана Баязида стало впоследствии популярной темой для поздних западных писателей, композиторов и художников. Им нравилась легенда о том, как Тамерлан увез султана в Самарканд, и они украшали ее набором персонажей для создания привлекательной восточной фантазии. Пьеса Кристофера Марло «Тамерлан Великий» впервые была поставлена в Лондоне в 1587 году, через три года после официального начала английско-османских торговых отношений, когда Уильям Харборн отплыл в Стамбул в качестве агента Левантской компании. В 1684 году появилась пьеса Жана Магнона «Великий Тамерлан и Баязет», а в 1725 году в Лондоне был впервые поставлен «Тамерлан» Генделя; версия Вивальди «Баязед» была написана в 1735 году. Магнондал Баязиду пленительную жену и дочь, интерпретации Генделя и Вивальди помимо Тамерлана и Баязида с дочерью включали принца Византии и принцессу Трапезунда (Трабзон) в страстной и невероятной любовной истории. Цикл картин взамке Шлосс Эггенберг, около Граца в Австрии, передавал тему другими средствами, он был закончен в 1670 году незадолго до того, как могучая османская армия атаковала Габсбургов в центральной Европе.