Timur membahagikan pemanah berkudanya kepada empat kumpulan. Satu pasukan diletakkan di tengah, dua pasukan lagi diletakkan di sayap pasukan manakala satu lagi sebagai simpanan. Tentera bergajahnya pula berada di barisan hadapan.

Bayezid mempunyai bahagian pusat yang kukuh dengan meletakkan pemanah di hadapan, janissari di barisan kedua dan tentera berkuda sipahi sebagai simpanan. Di bahagian sayap kiri, beliau telah menempatkan tentera berkuda Serbia diketuai Stefan manakala tentera upahan Tatar dan Anatolia ditempatkan di sayap kanan. Bayezid mengharapkan pasukan sayapnya yang mempunyai posisi yang bagus dapat terus bertahan supaya beliau boleh melancarkan serangan balas bersama pasukan tengahnya.

Timur menghantar pasukan sayapnya untuk melakukan serangan awal manakala pasukan tengahnya tinggal di belakang. Pertempuran bermula di bahagian sayap kiri Uthmaniyyah. Tentera Serbia diserang oleh tentera berkuda musuh tetapi mereka berjaya menangkis serangan ini dengan memberikan tentangan sengit. Satu gelombang serangan musuh telah ditujukan lagi ke arah tentera Serbia. Kali ini, usaha untuk mengepung mereka telah dilakukan tetapi pasukan Stefan berjaya bertahan di posisi mereka.

Sementara itu, pasukan sayap kiri Timur telah menyerang sayap kanan Uthmaniyyah yang dipimpin oleh Putera Sulaiman. Timur juga menggerakkan pasukan tengahnya untuk berhadapan dengan tentera Janissari Bayezid. Kemudian, terjadi satu peristiwa yang tidak diduga di sayap kanan Uthmaniyyah apabila 18,000 tentera upahan Tatar telah membelot dan bergabung dengan Timur untuk menyerang sayap kanan Uthmaniyyah. Putera Sulaiman telah dikepung dan Bayezid mengerahkan tentera simpanannya untuk pergi menyelamatkan keadaan.

Di sayap kiri Uthmaniyyah, unit Serbia telah diserang tidak putus-putus oleh musuh. Meskipun, angka korban terus meningkat tetapi mereka tetap masih bertahan. Sumber-sumber mendakwa bahawa Stefan telah menghantar seorang utusan kepada Sultan Bayezid supaya berundur kerana ia masih boleh dilakukan tetapi Bayezid menolak. Pada saat ini, Putera Sulaiman diperintahkan untuk berundur bagi menyelamatkan nyawanya. Sementara itu, Stefan diarahkan untuk mempertahankan pasukan sayap kanan Uthmaniyyah bersama tentera-tenteranya serta melindungi pengunduran putera itu. Timur memajukan tentera simpanannya untuk menyertai pertempuran. Hal ini menandakan kedua-dua pasukan sayap Uthmaniyyah telah dikerumuni oleh tentera musuh. Namun, tentera Serbia memanfaatkan ketebalan pakaian zirah mereka untuk meloloskan diri dari kepungan musuh sebelum mereka bergabung dengan putera Sulaiman untuk berundur.

Saki baki pasukan tengah Uthmaniyyah sedikit demi sedikit telah menerima asakan yang hebat membuatkan pasukan mereka berundur ke sebuah bukit yang dikenali sebagai Cataltepe. Dikatakan bahawa Bayezid bersama dengan tentera sipahi dan janissari masih mampu bertahan menangkis asakan musuh selama berjam-jam walaupun jumlah bilangan tentera musuh jauh lebih besar. Akhirnya, Bayezid berjaya melepaskan diri daripada kepungan musuh bersama pengawalnya tetapi sebatang anak panah musuh telah berjaya membunuh kuda tunggangan beliau.