В этот раз Тамерлан не пошел дальше. Он не мог углубляться в Малую Азию, когда с тылу ему угрожали мамелюки и даже непрочная реставрация Ахмеда Джелаира в Багдаде. В это время он, как мы уже рассказывали, отправился в Сирию, где победил мамелюков и отвоевал Багдад. Выполнив эту задачу, он вернулся в Малую Азию. В его отсутствие Баязид отнял у Тахертена город Эрзинджан и захватил семью эмира. Тамерлан, вернувшись из Сирии, ответил не сразу. Он провел зиму 1401/02 г. в Карабахе, а весну на границе с Грузией, а тем временем производилось сосредоточение его войск. Лишь в июне 1402 г. он вторгся в Османскую империю. Восстановив власть Тахертена в Эрзинджане, он устроил своей армии смотр в Сивасской долине. «У одних эскадронов были красные знамена, их доспехи, седла, чепраки, колчаны и пояса, копья, щиты и палицы тоже были красными. У другого корпуса все это было желтым, еще у одного – белым. Один полк был в кольчугах, другой в панцирях». Потом через Кайсери (Кесарию) Тамерлан двинулся на Анкару, где, как ему стало известно, находился Баязид. Решающее сражение произошло 20 июля 1402 г. к северо-западу от этого города, в Чибухабаде. Оно продолжалось с шести часов утра до ночи, в нем приняло участие около миллиона человек. Баязид привел с собой контингенты, набранные среди покоренных им народов. Если сербы и их король Стефан остались верны ему, чем вызвали восхищение самого Тамерлана, тюрки из Айдина, Ментеше, Сару-хана и Кермиана, видя, что их эмиры находятся в рядах армии Тамерлана, перешли на его сторону. Вместе с тем Тамерлану, видимо, очень помогли приведенные из Индии боевые слоны. Баязид во главе 10 000 янычар и сербов сражался целый день; и лишь на закате, когда были перебиты все его телохранители, он решился бежать. Конь под ним был убит, и он попал в плен вместе с одним из своих сыновей.
Тамерлан обращался с врагом учтиво, однако, поскольку султан попытался бежать, он перевозил его зарешеченных носилках, что породило легенду о «железной клетке». Баязид, сломленный катастрофой, уязвленный в своей гордыне, умер несколько месяцев спустя (в Ак-Шехире, 9 марта 1403 г.).
После разгрома османской армии и пленения султана дальнейшее завоевание Западной Анатолии стало для Тамерлана военной прогулкой. Он сделал остановку в Кютахье, в то время как его авангард отправился грабить Бруссу, османскую столицу, где, по описаниям Шараф ад-Дина и Ибн Арабшаха, победители вели себя как орда дикарей. Красивый город был предан огню. Внук Тамерлана Абу-Бекр дошел до Никеи (Изника), «убивая и грабя все, что попадалось на его пути», с удовольствием сообщает нам Шараф ад-Дин. Сам Тамерлан осадил город Смирну, принадлежавший родосским рыцарям. Перед штурмом он предложил губернатору, брату Гийому де Минту, принять ислам. Тот, естественно, категорически отказался. Осада, по сведениям «Зафар-наме», началась 2 декабря 1402 г. и закончилась через две недели штурмом и взятием города. В нем перерезали всех, за исключением нескольких рыцарей, спасшихся на христианских кораблях. «Зафарнаме» особо выделяет эту победу, ведь она служила Тамерлану оправданием перед благочестивыми мусульманами, справедливо упрекавшими его за разгром Османской империи, нанесший страшный удар по исламским завоеваниям. Взятие Смирны и последовавшая за ним резня задним числом превратили Анкарскую кампанию в священную войну. «Смирну, которую османский султан безуспешно осаждал семь лет, Тамерлан завоевал менее чем за две недели!.. Мусульмане вступили в город, славя Аллаха, в благодарность которому они поднесли головы его врагов» («Зафар-наме»). Город Фокея, крупный центр турецко-итальянской торговли, который затем осадила тимуридская армия, вовремя откупился, согласившись уплатить дань. Генуэзская компания, владевшая расположенным напротив островом Шио, также покорилась завоевателям. Регент Византийской империи Иоанн VII, тоже вынужденный признать сюзеренитет Тамерлана, немедленно отправил к нему посольство с извещением об этом.
Несмотря на резню в Смирне, победа Тамерлана над Баязидом на самом деле спасла христианский мир. После того как Баязид разгромил Никопольский крестовый поход, Византия, блокированная со всех сторон османами, была обречена. Ее падение было вопросом месяцев. Разгром османов при Анкаре продлил жизнь Византийской империи еще на полвека (1402–1453). Так в результате неожиданного поворота событий Византия получила наибольшую выгоду от побед трансоксианского завоевателя на Ближнем Востоке, точно так же, как Московское княжество извлекло наибольшую выгоду из его побед над Золотой Ордой.