Султан Баязид I выстроил свою армию, поставив в центре янычарскую пехоту, а перед ней боевых слонов. Тимур же, наоборот, значительно усилил свои фланги. Его конница всей своей массой обрушилась на левый неприятельский фланг, где стояли отряды сербов. На другом фланге на сторону Тимура перешло 18 тыс. конных татар.
Султанские войска, особенно янычарская пехота, сражались яростно, но одолеть противника не смогли. К тому же Тимур явно превзошел своего соперника в искусстве ведения большой битвы. Он сумел окружить армию Баязида. Турки были наголову разбиты и рассеяны по окрестностям Ангоры. Воины Тимура уничтожили почти всех янычар. Сам Баязид Йылдырим с одним из сыновей попал в плен, другой его сын погиб в битве. Тимур необычайно мягко обошелся с побежденным турецким султаном и даже приблизил его к себе. Но когда тот оказался замешанным в заговоре против властителя, Баязида стали строже охранять и к ночи заковывать в кандалы. Теперь он превратился в настоящего пленника, жизнь которого зависела от прихоти победителя.
Во время последующих завоевательных походов по Азии Тимур не расставался с султаном, который всюду следовал за ним в носилках, заделанных железной решеткой. Это породило предание о том, будто бы Баязид был заключен жестоким Тимуром в клетку. Османский султан так и не получил желанную свободу. Баязид I бесславно умер в плену, но в истории Турецкой империи прославился как великий завоеватель Сербии, остатков Византийской империи, Болгарии, Македонии, Фессалии, Боснии и греческих земель. Благодаря ему Османская империя почти три века властвовала над этими странами.
29 мая войска под предводительством султана Мехмеда II Завоевателя после 54 дней осады заняли Константинополь, который был отдан янычарам на трехдневное разграбление. Султан, въехав в завоеванный город на белом коне, повелел превратить собор Святой Софии в мечеть Айя-София. Это повлекло за собой уничтожение Восточной Римской империи и смерть последнего византийского императора Константина XI Драгаша. Отныне турки стали безраздельно господствовать в Восточном Средиземноморье. Город оставался столицей Османской империи до ее распада в 1922 г.