Вначале Баязид укрепил власть Османской империи на Балканах, вплоть до Дуная, разбив в 1396, в битве при Никополе, армию крестоносцев. После этого перенес действия в Анатолию. К 1400 захватил почти все тюркские бейлики и расширил границы Османской империи на восток вплоть до Евфрата, по которому проходила граница с империей мамлюков. Однако экспансия Баязида в Анатолию началась еще до того, как было завершено укрепление административной, финансовой и военной власти на завоеванных в Европе землях. Походы на восток, в исламские и тюркские регионы, лишили Баязида поддержки тюркской аристократии и военных, вступивших в его армию для завоевания земель неверных на западе. Эта экспансия привела Османскую империю к прямому столкновению с новым мощным государством Тимура (Тамерлана), который расширил пределы своей центральноазиатской империи до Ближнего Востока, разбив и свергнув монгольских ильханов в Иране и Восточной Анатолии. Тимур был обеспокоен быстрым возвышением Османской империи на западных границах. Бежавшая к нему с завоеванных Баязидом территорий в Анатолии тюркская знать и военные оказывали давление на Тимура, прося его о помощи в борьбе против османов. Тимур вторгся в Анатолию, разбил армию Баязида в битве при Ангоре (ныне Анкара) в 1402 и восстановил под своим сюзеренитетом тюркские бейлики в Анатолии (в том числе Османский бейлик) в границах, существовавших до османских завоеваний.

Баязид I был захвачен в плен Тимуром и умер в 1403.

Османское государство оказалось в результате практически в тех же границах, что и в конце правления Орхана (1359). В результате начался период междуцарствия (1402–1413), в течение которого сыновья Баязида I боролись за господство на землях, оставшихся за османами во Фракии и Западной Анатолии. Этот период закончился только с возвышением Мехмеда I в 1413.

Во внутренних делах период правления Баязида I явился пиком греко-византийского влияния в Османском государстве. Матерью Баязида была гречанка, а женами – византийская и сербская княжны. Придворные говорили на греческом языке; казна управлялась византийскими чиновниками; церемониал османского двора был скопирован с византийского. При этом предпринимались попытки укрепления иностранного военного корпуса (пенчика), созданного еще при Мураде I.