Битва продолжалась весь день. Противостоящие друг другу армии были выстроены сходным образом, с правителями в центре в окружении пехоты – в случае Баязида янычарами – и кавалерией на флангах. Самое раннее описание сражения принадлежит Кретану, сражавшемуся на стороне Баязида, но бежавшему с поля боя:

«Армия Баязида состояла из 160 отрядов. Сначала армия Тимура [т. е. Тамерлана] разбила четыре из них, командирами [трех из] которых были Тами Джозаферо Морчесбей [т. е. Фируз-бей], великий правитель мусульман, сын Баязида [т. е. принц Сулейман] и сын князя Лаззеро [т. е. Стефан Лазаревич]… [четвертый отряд] был Баязида. Его воины сражались так храбро, что большая часть войск Тимура была рассеяна. Решили, что Тимур проиграл битву; но он был где-то в другом месте и немедленно послал 100 000 воинов, чтобы те окружили Баязида и его отряд. Они захватили Баязида и двух его сыновей. Лишь шесть из отрядов Баязида приняли участие в этом сражении, остальные бежали. Тимур праздновал победу».

Комментаторы отметили, что армия Тамерлана подошла к Анкаре первой и расположилась лагерем у реки, оставив воинов Баязида и их коней без воды. Шильтбергер пишет, что у Тамерлана было 32 обученных слона, со спин которых метали в османских солдат знаменитую зажигательную смесь, известную как «греческий огонь». Это хорошо объясняет то замешательство, которое заставило Баязида поверить, что он одержал верх, лишь для того чтобы оказаться окруженным и побежденным. Османские летописцы тем не менее сходятся во мнении, что Баязид проиграл битву из-за дезертирства многих его солдат: и многочисленных «татар», и войск из независимых прежде эмиратов западной Малой Азии, которые не стали сражаться. Баязид и его сын Муса были пленены, а возможно, и его сербская жена и сын Мустафа. Его сыновья Иса, Сулейман и Мехмед бежали. Завоевания Баязида были уничтожены в один день. До нашествия Тамерлана его владения простирались от Дуная почти до самого Евфрата; теперь же османская территория была резко сокращена до той, что была завещана ему его отцом в 1389 году. Восьмилетняя блокада Константинополя закончилась. Тамерлан вернул земли эмирам Карамана, Гермияна, Айдына, Сарухана и Ментеше и подкрепил свои притязания на остаток владений Баязида в Малой Азии еще одним набегом длиной в год.

Приступая к написанию истории поражения Баязида под Анкарой, летописцы искали объяснение катастрофы, произошедшей с османами. Хронист XV века Ашикпашазаде возлагает вину за поражение на Баязида, обвиняя его в распутстве – точка зрения, с которой соглашаются современники султана, – и обвиняя его сербскую жену в поощрении к пьянству; он также порицает визиря Баязида Чандарли Али-пашу за общение со священниками, чьи религиозные убеждения были сомнительными. Победа Тамерлана была унизительной, но для последующих поколений гораздо большим поводом для сожалений стала последующая борьба между сыновьями Баязида за наследство. В то время как принц Муса и, возможно, принц Мустафа после битвы под Анкарой находились в руках Тамерлана, Сулейман, Мехмед и Иса бросились искать союзников для поддержания их личных претензий на трон. Еще один сын, Юсуф, нашел убежище в Константинополе, принял христианство и был крещен Димитрием. Следующие 20 лет несли с собой смуту и страдания для Османского государства в беспрецедентных масштабах.

В своем позорном поражении могущественный прежде правитель Баязид стал трагической фигурой. И хотя османские летописцы, спустя столетие после битвы при Анкаре, будучи тронутыми его судьбой, описали, что Тамерлан посадил Баязида в железную клетку и возил униженного султана с собой в победоносном шествии по Малой Азии, историки считают это вымыслом. Более ранние османские писатели утверждали, что он сам наложил на себя руки, не вынеся бесчестья поражения. Правда о судьбе султана Баязида оказалась более прозаичной: по сообщению Шильтбергера, он умер естественной смертью в марте 1403 года в городе Акшехир в западно-центральной Малой Азии. Его тело было мумифицировано и хранилось сначала в гробнице сельджукского святого. Историки того времени говорят, что его сын Муса вскоре получил у Тамерлана разрешение перевезти тело в Бурсу. Судя по надписи на гробнице, возведенной для него сыном Сулейманом, он был похоронен в 1406 году. Несколько десятилетий спустя византийский историк Дука написал, что могила Баязида была осквернена, а останки эксгумированы караманским беем Алаеддином в отместку за то, что Баязид казнил его отца в Конье в 1397 году.