Wojska Ak Kojunlu pojawiły się na wzgórzach Otlukbeli na prawej flance armii tureckiej. Centrum wojsk tureckich dowodzili wspólnie Mahmud Pasza i Dawud Pasza, zaś skrzydłami synowie sułtana Bajazyd i Mustafa. Bajazyd dowodził prawym skrzydłem w skład którego wchodziły głównie oddziały europejskie i janczarzy, a Mustafa – lewym, mając pod dowództwem głównie azjatyckie oddziały tureckie i Arabów. W trakcie bitwy dołączył do nich Mehmed II, którego żołnierze wsparli centrum. Lewym skrzydłem Ak Kojunlu dowodził starszy syn władcy – Ogurlu Mohammed, a prawym, młodszy – Zegnel (Zeinal).
Bitwa rozpoczęła się szybkim atakiem wojsk Mustafy na prawe skrzydło Turkmenów. W jego wyniku poległ Zegnel, a dowódca arabski Muhammed nakazał odciąć mu głowę i przekazał ją Mustafie (ten złożył ja później u stóp Mehmeda II). Następnie Bajazyd uderzył na lewe skrzydło przeciwnika, niszcząc je niemal doszczętnie. Uzyn Hasan wraz z pozostałościami swojej armii uciekł z pola bitwy zostawiając Turkom swój obóz.