Прошло несколько дней, но разведчики Баязида не обнаружили никаких следов татар. Наконец пришла весть, что Тимур обошел турок и теперь шел на них с тыла. Из Сиваса, избегая труднопроходимой холмистой местности на западе, он направился к югу вдоль долины реки Кайсери, по дороге собирая для своих войск богатый урожай зерна. Далее его путь лежал на север, к точке у стен Ангоры, и турки оказались теперь к востоку от него. В это время Баязид, явно бравируя перед лицом врага, скорость которого он сравнивал со скоростью ползущей улитки, с презрением отверг все меры предосторожности, послав свои войска на большую охоту. Окружающая местность была практически безводной, и воины тысячами умирали от жажды и переутомления.

Тем временем Тимур, проведя разведку вокруг Ангоры, вышел к прежнему, ныне покинутому лагерю Баязида. Здесь, разграбив брошенное имущество и заняв оставленные турками шатры, армия татар устроила свой штаб, сначала перегородив плотиной и отведя для своих нужд воду речки, текшей к Ангоре. Тимур также приказал разрушить и отравить родник на пути турок, шедших сейчас с востока в погоне за ним. Здесь он подготовился к бою. Таким образом, Баязид с уставшей и измученной жаждой армией был вынужден встретиться с врагом, укрепившимся перед его собственным городом Ангора, на той самой позиции, где следовало находиться ему самому и встречать врага. Сражение завязалось на обширной равнине, начинавшейся сразу за городскими стенами, на поле боя, уже известном в истории.

Левым флангом армии Баязида, состоящим из анатолийских частей, известных своей лояльностью, командовал его старший сын Сулейман; арьергардом — его другой и самый любимый сын Мехмед. Правый фланг, где были отряды сербов и других лояльных европейских контингентов, возглавил его шурин — серб Стефан Лазаревич. Сам Баязид занял позицию в центре, расположив вокруг себя янычар. Но, составляя боевой порядок, султан, ослепленный гордыней, допустил последнюю роковую ошибку. Следуя обычному тактическому принципу постановки малоценных воинов под первый удар вражеской атаки, Баязид поставил в первую линию кавалерию анатолийских татар. Битва едва началась, когда те дезертировали и перешли к Тимуру, что вполне можно было предвидеть в отношении войск, мобилизованных для того, чтобы сражаться против собственных соплеменников. Султан таким образом в одночасье потерял четвертую часть своих сил.

Теперь Баязид мог атаковать только левым флангом. Повинуясь приказу, Сулейман бросил в кавалерийскую атаку анатолийских конников. Они мужественно сражались против града стрел и обжигающих языков «греческого огня». Но воины Сулеймана не смогли прорвать ряды татар и в конце концов в беспорядке отступили, потеряв примерно пятнадцать тысяч человек. После этого армия Тимура перешла в наступление, его кавалерия преследовала турок справа от него, пока не скрылись из вида. После ожесточенного сопротивления, разгромив сражавшихся, как львы, сербов, за что Тимур воздал им должное, его армия прорвала левый фланг. И наконец она обрушилась на центр турецкой позиции, где находился султан лишь со своими янычарами и остатками османской пехоты.

Превзойденного по всем статьям Баязида медленно, шаг за шагом, оттеснили на вершину небольшого холма. Здесь он еще несколько часов продолжал биться вместе со своей личной гвардией и остатками его разбежавшихся войск — до наступления темноты. Теперь, когда все было потеряно, Баязида поддерживало только его знаменитое упрямое мужество. «Удар Молнии, — писал турецкий историк, — продолжал размахивать своим тяжелым боевым топором. Подобно тому как голодный волк разгоняет отару овец, он разбрасывал врагов. Каждый удар его грозного топора наносился с такой силой, что во втором ударе уже не было необходимости». Таким, все еще отчаянно сражающимся, его обнаружили воины Тимура, вернувшиеся на поле сражения после окружения и полного разгрома турецких войск. Вскочив на коня, Баязид предпринял последнюю попытку скрыться на другой стороне холма, пробившись сквозь ряды татарских лучников. Но его настигли, стащили с лошади, связали, а затем привели в шатер Тимура, который спокойно играл в шахматы со своим сыном.

Баязид держался с достоинством в присутствии своего победителя, который сначала воздал ему почести как суверену, но затем решил унизить его как пленника. Во время перехода по Анатолии Баязида несли в паланкине с решеткой, похожем на клетку, сделав его таким образом объектом насмешек татарских воинов и его прежних подданных-азиатов. Легенд об обращении Тимура с Баязидом множество: утверждали, что по ночам его держали в цепях, что он служил Тимуру скамейкой для ног, что, завладев гаремом Баязида, Тимур унизил его жену — сербку Деспину, заставив ее прислуживать обнаженной за столом, где сидели ее прежний господин и его победитель. Страдания надломили дух Баязида и, в конце концов, его разум. Через восемь месяцев он скончался от апоплексического удара, но есть версия, что он покончил жизнь самоубийством.

Баязид пал, потому что перешел границы разумного. Он стремился выйти за пределы традиций гази, которых придерживались его предки в Малой Азии и Европе. Он, преждевременно и не имея соответствующих ресурсов, встал на путь расширения империи на мусульманском Востоке, желая следовать тем распространяющимся на весь мир торжествующим традициям ислама, столь дорогого богословам священного города Бурса. Так Баязид на свою погибель вступил в конфликт с мировой империей Тимура, который, пока его намеренно не спровоцировали, хотел лишь мирного сосуществования с Османским государством гази.

Тимур без промедления захватил Малую Азию. Его татарские орды быстро взяли Бурсу, увезли с собой молодых женщин, устроили в мечетях конюшни, разграбили и сожгли почти весь город, но не смогли взять в плен сына Баязида, Сулеймана, которому удалось скрыться, верхом прорвавшись через ворота города, и благополучно достичь Европы. Затем Тимур лично повел войска на Смирну, последний оплот христиан, и город был взят всего за две недели. Госпитальеры были оттеснены к галерам и морем отправились к Родосу, а те немногие, кто не добрались до галер, были обезглавлены, а их головы уложены в привычную пирамиду. Это была демонстрация против неверных, в традициях гази, рассчитанная на одобрение мусульманского мира.

Из Ангоры войска Тимура продолжали преследовать уцелевшие остатки османской армии, бежавшие десятками тысяч по плато или через горы в сторону Дарданелл. Здесь генуэзцы и венецианцы, которые раньше с готовностью переправляли их в Азию, теперь с той же готовностью переправляли их обратно в Европу. Такое проявление вероломства вызвало у Тимура приступ бешенства. Но это поведение было понятным. Венецианцы и генуэзцы предпочитали врага, которого успели изучить, врагу неизвестному. Это было показателем того, как сильно османы за два поколения сумели укорениться на Балканах. Христианское население их молчаливо приняло наследниками Византии. В Анатолии Тимур натравливал друг на друга четверых других сыновей Баязида, оставшихся в его руках в качестве вассалов. Он в каждом из них поддерживал надежду на признание единственным законным наследником османского трона. Он дал Сулейману полномочия татарского вассала на османских территориях в Европе.

Теперь, когда будущее Османской империи было в его руках, Тимур благосклонно отнесся к инициативам европейских держав. Но когда император Византии предложил признать его суверенитет и выплатить ему соответствующую дань, Тимур ответил приказом подготовить флот для переправы своих солдат через пролив в Европу. Это породило паническое предположение, что армия Тимура намерена осадить Константинополь. Но у него не было замыслов, направленных ни против Европы, ни против Анатолии, где он, согласно традициям гази, вернул местным правителям их земли. В данном случае Тимур рассматривал свою кампанию не более как рекламный рейд. Его имперские амбиции лежали на Востоке. Вскоре после смерти Баязида в 1403 году он уехал из Малой Азии в Самарканд, чтобы больше никогда не возвращаться. Он готовился покорить Китай, но умер по пути туда, на два года позже Баязида, заболев лихорадкой, осложненной общей усталостью и (по словам Гиббона) «опрометчивым употреблением ледяной воды». Татарские орды ушли, оставив после себя полный хаос.