Pertempuran ini dianggap sengit dan penting. Kedua-dua belah pihak memiliki kekuatan antara 100,000 hingga 150,000 tentera tetapi Uthmaniyyah memiliki sedikit kelebihan kerena mereka lengkap dengan senjata dan artileri. Di samping itu, tentera Ak Qoyunlu pula terdiri daripada tentera Turk tradisional yang tidak jauh beza dengan tentera Seljuk yang pernah bertapak di kawasan Anatolia pada empat kurun lampau.

Barisan hadapan tentera Sultan Muhammad al-Fatih yang mempunyai kekuatan seramai 20,000 orang akhirnya bertembung dengan tentera Ak Qoyunlu pada 1 Ogos 1473. Kedua-dua pihak ini dipisahkan oleh Sungai Euphrates. Uzun Hasan bersama tenteranya telah menyeberangi sungai sebelum melancarkan serangan ke arah musuh. Setelah pertempuran awal, tentera Ak Qoyunlu berundur sambil dikejar oleh kavalri Uthmaniyyah melalui jambatan sungai. Sejurus selepas kavalri Uthmaniyyah menyeberangi sungai, sekumpulan kecil unit tentera Ak Qoyunlu memusnahkan jambatan sebelum mereka menyerang kavalri musuh dari arah belakang. Pada masa yang sama, saki baki pasukan Uzun Hasan beralih dan melancarkan serangan serentak. Kavalri Uthmaniyyah kemudiannya diserbu dan sebanyak 5,000 nyawa terkorban. Uzun Hasan cuba mengejar saki baki tentera hadapan Uthmaniyyah yang lain tetapi gagal.

Sepuluh hari kemudian, Sultan Muhammad al-Fatih bersama saki baki tenteranya tiba di sebuah tempat yang dikenali sebagai Otlukbeli. Kedua-dua belah pihak kini memiliki kekuatan tentera sebanyak 100,000 tentera dan masing-masing sedia untuk bertempur. Kavalri Uthmaniyyah menjadi pasukan sayap manakala tentera elit janissari membarisi pasukan tengah manakala tentera Ak Qoyunlu kebanyakannya terdiri daripada kavalri ringan. Tentera Ak Qoyunlu dipecahkan kepada empat pasukan dominan dan satu pasukan kecil. Pasukan kecil ini diarahkan untuk ke arah barat bagi menghalang kemungkinan pengunduran tentera Uthmaniyyah.

Pertempuran bermula oleh pasukan sayap kanan Uthmaniyyah yang melancarkan serangan. Tentera Uzun Hasan berjaya bertahan dari serangan awal manakala pasukan sayap kanannya diarahkan untuk melancarkan serangan ke atas pasukan sayap kiri Uthmaniyyah. Pertempuran berlangsung dengan seimbang sehinggalah Sultan Ak Qoyunlu mengirimkan pasukan simpanannya untuk menyerang pasukan sayap kiri Uthmaniyyah. Tentera sipahi Uthmaniyyah seolah-olah kelemasan kerana dihimpit asakan hebat oleh tentera musuh. Namun, Sultan Muhammad al-Fatih menghulurkan bantuan ketenteraan kepada pasukannya dengan mengirimkan sebahagian tentera janissari dari pasukan tengah Uthmaniyyah.

Uzun Hasan mengambil peluang di kala beliau merasakan pasukan tengah Uthmaniyyah kini menjadi lemah dengan menghantarkan seluruh pasukannya ke medan pertempuran. Namun, kavalri Uzun Hasan dimusnahkan oleh serangan senapang dan artileri Uthmaniyyah yang melepaskan tembakan ke arah musuh. Sesetengah pihak berpendapat Uzun Hasan berundur dalam keadaan panik. Pendapat lain pula mendakwa kuda tunggangannya terbunuh dan panji yang dibawanya telah tumbang yang mencetuskan keadaan huru-hara. Selepas pasukan tengah Ak Qoyunlu telah ditewaskan, pasukan tengah Uthmaniyyah menuju ke pasukan sayap mereka yang sedang bergelut bertahan daripada asakan musuh.

Tentera Uthmaniyyah akhirnya meraih kemenangan muktamad dan menanggung sedikit kerugian manakala pasukan musuh pula telah kehilangan kira-kira 25,000 nyawa. Kemenangan Uthmaniyyah di Otlukbeli telah memastikan kawasan Anatolia diperintah oleh Uthmaniyyah. Bahkan, tiada kuasa dari timur yang mengganggu gugat kedudukan mereka selama empat dekad berikutnya.