Персы атаковали первыми, опрокинув пешее ополчение турок и тимариотов. Сражение вначале не давало надежд на победу ни той, ни другой стороне, поскольку на поле битвы столкнулись две большие массы вооружённых людей. В начале битвы персы на какой-то миг даже стали одолевать своих противников. Но янычары и гвардия султана устояли под натиском персидской конницы. Селим I оказался на высоте — удачно сманеврировав на поле боя войсками, он одержал над персами уверенную победу. Турецким голодным воинам в качестве самого ценного трофея достался персидский походный лагерь с огромными запасами провианта.

Персидская армия, понёсшая в сражении у Халдирана большие потери, рассеялась по окрестным горам. Побеждённому шаху Исмаилу, получившему ранение в ходе битвы, тоже пришлось спасаться бегством. Султан Селим I двинул свою армию ещё дальше на восток и в сентябре того же 1515 года захватил тогдашнюю столицу Персии город Тебриз (ныне главный город иранского Азербайджана, или, иначе, Южного Азербайджана).

Из Тебриза Селим намеревался продолжить военный поход. Однако янычары подняли мятеж. Отказались идти дальше и османские феодалы-тимариоты. Султану, скрепя сердце, пришлось подчиниться требованию своей армии. Утешением была огромная военная добыча, взятая в Тебризе, в том числе шахская казна. Из персидской столицы турки отправили в Стамбул тысячу лучших ремесленников для обслуживания султанского двора и знати.

Шах Исмаил, оставшийся почти без войск и без столицы, запросил мира у победителя. Однако султан Селим I благосклонно согласился на него только после уступки Персией Оттоманской империи части азербайджанских земель. После этого султан увёл турецкую армию назад. На обратном пути турецким войскам вновь пришлось испытать огромные трудности из-за недостатка продовольствия.

В 1515 году султан во главе своей армии вновь оказался на берегах Евфрата в его среднем течении. Там турки впервые сразились с мамелюками и победили их. После этого Селим I двинулся на Курдистан и вытеснил оттуда персов.

Повторить свой победный персидский поход султану не пришлось, хотя он и намеревался это сделать ещё раз. Узнав, что арабские страны Египет и Сирия вступили в военный союз с персидским шахом, Селим I решил упредить совместные наступательные действия противников Оттоманской Порты.