Вскоре огромная тюркская армия вторглась в Малую Азию, не имевший крупного войска Сулейман направился в Европу к отцу. Тамерлан взял крепость Сивас, но не стал двигаться вглубь Анатолии, а отправился на завоевание Алеппо, Дамаска и Багдада. Осенью 1401 года армия Тамерлана вернулась к границам Малой Азии и осталась на зимовку. Баязид в это время, впервые столкнувшись с равным соперником, был ошеломлён и очень медленно реагировал на кризис, его физическое состояние и умственные способности были подорваны тягой к пьянству и разгульной жизни. Пока отсутствовал Тамерлан, султан даже не попытался вернуть слабо защищённый Сивас. Только летом 1402 года, когда тюркские войска двинулись в наступление, Баязид снял осаду с Константинополя и перебросил войска в Азию.
Гордыне Баязида не было пределов. В течение нескольких дней перед битвой его войска занимались тем, что гоняли для охотничьей забавы зверей по окрестностям. Тем временем Тамерлан расположил свое войско между измученными силами Баязида и крепостью, которая, по идее, должна была служить бастионом османской обороны.
25 июля 1402 года армии сошлись в битве под Анкарой. Армия Баязида насчитывала от 120 до 160 тысяч воинов, армия Тамерлана была намного больше. Привычно высокая дисциплина османского войска значительно упала — многонациональная армия (четверть войска Баязида составляли татары, также было множество христиан, в том числе сербское войско князя Стефана) была изнурена стоявшей в то лето жарой и долгим переходом, а также задержкой с выплатой жалования. Баязид со свойственным ему упрямством, переоценивая свои силы, намеревался сразиться с Тамерланом в лобовом столкновении, хотя его полководцы призывали укрыться в горах, чтобы дать солдатам отдохнуть и выбрать позицию для обороны против превосходящих сил противника.
Более опытный и расчётливый полководец Тамерлан занял для битвы выгодную позицию, пока османские воины тысячами умирали от жажды и переутомления. Татары из войска Баязида вскоре дезертировали и перешли на сторону своих братьев по крови, лишив султана четверти его войска, что предрешило участь Баязида. В ожесточённом сражении турецкое войско было разбито, Баязид, которому пришлось в рукопашную сражаться за свою жизнь, попытался бежать, но был захвачен в плен и доставлен к Тамерлану.
Баязида заковали в цепи, и он был вынужден смотреть, как его любимая жена Оливера прислуживала Тамерлану за обедом, а затем была изнасилована. Тюркские завоеватели подвергли страшному опустошению всю страну: сжигали города и села, убивали или угоняли в Самарканд жителей. Бурса была разграблена, и орды Тамерлана дошли до самой Смирны. Тамерлан во время разорения османского государства повсюду возил за собой Баязида в зарешеченном паланкине, подвергая всяческим унижениям, по одной из легенд даже использовал его как подставку под ноги.
В 1403 году Баязид скончался в плену. Относительно причин его смерти существуют различные точки зрения. Наиболее популярной является версия о естественных причинах смерти султана в результате болезни (лихорадки или астмы). По другой версии Баязид сам отравился узнав, что Тамерлан собирается отправить его в Самарканд. Также существует мнение, что султан был отравлен по приказу Тамерлана, однако такой вариант считается маловероятным, поскольку имеются сведения, что тюркский правитель вверил заботу о больном Баязиде своим личным врачам.
Итоги правления
Гордыня и высокомерие Баязида привели молодую Османскую империю предельно близко к полному уничтожению. Не имея достаточных ресурсов, султан избрал путь расширения и опрометчиво вступил в конфликт с гораздо более сильной тюркской державой, правитель которой предлагал Баязиду мирное сосуществование. Малые бейлики вновь получили независимость благодаря Тамерлану, желавшему в последние годы своей жизни покорить Китай, а потому не довершившему разгром османов. Между сыновьями Баязида разгорелась междоусобная борьба, из которой только в 1413 году победителем вышел Мехмед I, сумевший вернуть многое из потерянного в войне с тюрками.
Жёны и дети
Жёны
Девлет-Шах-хатун, дочь гермиянского эмира Сулеймана, женитьба около 1381 года, мать Исы, Мусы и Мустафы.
Девлет-хатун, вероятно, также из Гермияна, мать султана Мехмеда I.