帖木儿率领大军避开哈里斯河奥斯曼军伏击圈，穿梭于崇山峻岭间，绕道进至安卡拉城下，将城池包围。当探知城中只有很少的驻军后，帖木儿并未急于攻城，因为这已是囊中之物，他要用这一城池作为鱼饵，钓来巴耶济德一世这条大鱼。帖木儿命令军队选择有利地势，就地休整，征集粮草，寻找水源，以逸待劳，等待奥斯曼大军的到来。
巴耶济德一世为了防止储存大量武器和军需品的安卡拉城落入帖木儿手中，率领大军顶着盛夏的烈日，马不停蹄地进行了数日急行军。奥斯曼军队饥渴交加，疲惫不堪，军心浮动。公元1402年7月28日，奥斯曼军队到达安卡拉城郊的齐布卡巴德平原上，帖木儿大军正在此恭候，一场历史上著名的战役安卡拉战役即将拉开序幕。
清晨6时，双方军队进入阵地开始排兵布阵。巴耶济德一世将军队分为左、中、右三翼，自己亲率主力部队加尼沙里军团坐镇中路，左翼由欧洲征集来的基督教雇佣军把守，右翼则是由新近降服的小亚细亚半岛东部各突厥小公国将士组成的联军。针对奥斯曼军队的排兵布阵，帖木儿也将自己的军队分为左、中、右三路，他亲率蒙古骑兵坐镇中央，对付强悍的奥斯曼加尼沙里军团。上午10时左右，双方战鼓齐鸣，旌旗挥舞，杀声震天，开始酝酿着进攻，小小的齐布卡巴德平原上，聚集了双方近400000人的军队。奥斯曼军队首先开始进攻，其步兵杀将出来，与帖木儿军队展开了激烈的厮杀。双方的将士正杀得难解难分之时，从帖木儿军中不断想起小亚细亚半岛昔日的一些王公呼唤在奥斯曼右翼军中作战将士的声音。那些原为这些突厥王公部下的将士，闻听昔日主人的呼唤，纷纷结束战斗，投奔到帖木儿军中来，并且在这些原主人的带领下，反戈一击与帖木儿军队共同杀奔巴耶济德一世所率领的中军。经此变故，奥斯曼军大乱，这时帖木儿从印度带来的32头战象发挥了作用，它们在奥斯曼加尼沙里军团军中横冲直撞，踩死踩伤奥斯曼军人无数。巴耶济德一世虽然英勇顽强地披挂上阵，率领加尼沙里军团浴血奋战，但终究不能抵挡对方的强烈冲击，防线终于被突破。
防线一破，奥斯曼军队阵脚大乱，四处逃窜。蒙古铁骑军奋力追杀，奥斯曼军队死伤无数，全军覆没。巴耶济德一世在逃跑中，由于坐骑受伤而被生擒，成了帖木儿的阶下囚。
接着帖木儿大军将安卡拉城包围，守将雅忽布见主力部队已败，城中兵力薄弱，未有援军前来增援，便打开城门，向帖木儿投降。
帖木儿对被俘的巴耶济德一世还很优待，希望他能投降，成为帖木儿帝国的藩臣。但高傲、倔犟的巴耶济德一世不为所动，始终不语。后来巴耶济德一世乘看押他的帖木儿士兵不注意将其杀死，企图逃跑。帖木儿才下令给他戴上手铐脚镣，8个月后巴耶济德一世屈辱地死去。
攻占安卡拉后，帖木儿继续率军征战小亚细亚半岛各地，最后攻克奥斯曼帝国在小亚细亚半岛的中心城市，昔日都城布鲁沙，彻底打败不可一世的奥斯曼帝国后，帖木儿才决定收兵。
帖木儿并不想消灭奥斯曼帝国，只要它能成为帖木儿帝国的藩属国就可以了。但帖木儿认为奥斯曼帝国过于强大了，需要将其肢解。他恢复了曾经被奥斯曼人灭亡的一些突厥小公国，又将剩下的奥斯曼帝国的领土分配给了巴耶济德一世的几个儿子，使他们成为自己的藩属国。在一切安排停当之后，帖木儿便带着大量的战利品，返回他的首都撒马尔罕。奥斯曼帝国迎来了它的发展史上最不幸的一个阶段。