На следующее утро, 25 августа, сельджуки дерзкой атакой попытались захватить укрепления на противоположном берегу от ромейского лагеря, но были прогнаны совместными действиями защитников и пехотных частей, отправленных восстановить положение. Вскоре после этого большое количество огузских воинов дезертировало и переметнулось к туркам — своим отдаленным сородичам. Возникло опасение, что и остальные последуют их примеру, но они клятвенно уверили императора в полной преданности, и беспокойство улеглось. Затем в имперский лагерь прибыло посольство из Багдада от самого халифа аль-Мухальбана с предложением вступить в переговоры. Но Роман согласился на них при условии очищения турками всех захваченных византийских земель, и послы удалились ни с чем. Скорее всего, император полагал, что посольство было простой уловкой с целью задержать ромеев в лагере и позволить султану спокойно увеличивать свои силы. В то же время Роман посылал гонца за гонцом к своим генералам, которых он отправил в район Хилата. Несмотря на сложившуюся обстановку, ромейские войска все еще имели грозную репутацию, особенно в генеральных сражениях, где дисциплина и боевой порядок зачастую играли решающую роль. Кстати, в ставке императора не сомневались, что и с оставшимися силами можно разгромить врага, если удастся принудить его к сражению.

Поэтому после отъезда багдадского посольства, утром в пятницу 26 августа, имперская армия вышла из лагеря и приготовилась к общему наступлению. Левый фланг, составленный из войск западных округов, был поручен их командующему — Никифору Вриеннию. Правым — из каппадокийцев и большинства других частей из Малой Азии — командовал Феодор Алият. Центр, во главе с самим императором, включал оставшиеся части гвардии и армянской тяжелой пехоты. Мы предполагаем, что большая часть ромейской тяжелой конницы, оставшейся при главной армии (многие части были приданы Тарханиоту), также были поставлены в центре, в то время как печенеги и огузы, оставшиеся с византийцами, были расположены на флангах.

Несмотря на все высокомерие и надменность, которые император выказал в течение кампании, Роман имел репутацию благоразумного и осторожного полководца, к тому же специалиста именно по турецкой тактике. Поэтому арьергард и резерв располагались на достаточном удалении позади главных войск, чтобы вовремя поддержать их в случае прорыва и парировать любые вражеские попытки охвата. В арьергарде находились хетареи из гвардии и лучшие армейские кадровые части, а также печенеги и огузы.

Поле боя представляло собой каменистое предгорье, тянувшееся на юг от самого Манзикерта и укрепленного византийского лагеря. Расстояние от города до горных склонов составляло от двенадцати до четырнадцати километров, чем далее, тем более пересеченной местности, идущей на подъем, до перехода в область сплошных оврагов и каменных ущелий. На некотором удалении от ромейских линий в форме полумесяца построились турки. Их главные силы численно уступали имперским. Арслан предпочел наблюдать за ходом боя с высокого холма в тылу. Армия сельджуков была разделена на центр и два фланга, которые, по давним традициям кочевников, в свою очередь, состояли из нескольких отрядов, имевших при необходимости право действовать самостоятельно.

Византийская практика ведения военных действий на востоке, особенно в случае столкновения с большими массами конных лучников, требовала стремительного сближения с неприятелем, чтобы избежать излишних жертв от массированного огня. Ромеи продвигались в устойчивом темпе, арьергард поддерживал установленную дистанцию, позволявшую вовремя подкрепить как центр, так и фланги, а турки, ведя непрерывный обстрел, непрерывно отходили. Однако в то время как центр не встречал вообще никакого сопротивления, на флангах турки постоянно имитировали атаки, не прекращая огня, то приближались, то снова отступали. Таким образом они вызывали замедление движения на флангах, между которыми и центром начал образовываться разрыв.

К полудню центр имперской армии достиг и захватил лагерь сельджуков, все имущество из которого было вывезено заранее, и продвигаясь все далее, к полудню вышел к горным отрогам. Потери на тот момент были минимальны, но связь с флангами уже была ослаблена. Непрерывный шквал турецких стрел вызывал сильнейшее раздражение византийских воинов, заставляя их вопреки требованиям тактики буквально бросаться на врага, чтобы принудить его к схватке. Турки изображали готовность к атаке и затем, в классическом стиле всех кочевников, притворно отступали, завлекая имперские силы в горы, где были заранее устроены засады.

Наступали сумерки. Роману не удалось заставить Арслана принять бой. По мере продвижения центра, связь с флангами все более ослабевала. Лагерь, лишившийся всякой защиты, остался далеко позади не только главных сил, но и арьергарда. Продолжение наступления в неизвестные и грозящие всякими неприятными неожиданностями горы было бы безумием. Ромейские солдаты все еще отлично слушались приказов, и хорошо организованный отход, который Роману не раз приходилось проводить в анатолийских кампаниях, казался единственным выходом.

Именно в этот момент случилось несчастье. После общего приказа к отходу центр начал отступать. Но на правом фланге сигнал был неправильно понят. И командиры, и простые воины подумали, что император погиб. Ситуация могла быть спасена правильными действиями арьергарда. Он должен был прикрыть отступающие части и позволить армии выполнить маневр без неуместной поспешности, способной вылиться в панику. Но Андроник Дука был заклятым врагом Романа IV, и из всех свидетельств современников ясно, что он преднамеренно поставил императора под удар. По команде «кругом!» части арьергарда и резерва начали марш к лагерю, бросив остальные войска на произвол судьбы. Хотя есть единственный современный событиям трактат, который пробует объяснять это действие, все остальные источники и исследования единодушны в том, что это было заранее обдуманным предательством с целью выдать императора врагам. Андроник, возможно, надеялся на смерть Романа, что расчистило бы путь к трону для клана Дука. Именно Андроник упорно распространял слух о смерти императора, чтобы убедить свои войска покинуть поле боя. Их уход вызвал полное замешательство на правом фланге. Сельджуки немедленно начали яростное общее наступление. Правое крыло ударилось в беспорядочное бегство, левое крыло Вриенний отходило в порядке, даже когда турки полностью отрезали его от центра и зашли в тыл. Все попытки Романа остановить панику и сплотить своих солдат были безуспешны. Каждая сохранившая порядок часть пробивалась сама по себе, а стрелы летели уже со всех сторон. Раненый император с небольшим отрядом гвардейцев в полном окружении держался до конца. Когда под ним убили лошадь, он еще некоторое время дрался в пешем строю, пока не был опрокинут на землю и завален трупами. Только на следующий день его откопали мародеры, опознали и доставили к султану.

Хотя к концу битвы имперская армия распалась, утверждения современников о чудовищных потерях кажутся нам необоснованными. Арьергард и резерв под командованием Андроника Дуки невредимыми вернулись в Константинополь, где Андроник немедленно включился в процесс низложения Романа. Вриенний со своими частями прорвался с боем, и его Западная полевая армия уже в следующем году активно и весьма эффективно сражалась со славянами и печенегами на Балканах. Из частей центра и правого фланга каппадокийцы сумели отойти в относительном порядке, как и некоторые гвардейские части, включая стратилатов. После сражения остатки этих подразделений собрались в Дукее (совр. Токкате — важной крепости на одной из главных дорог в Константинополь и на юго-восток от Амазеи). Там император и нашел их восемь дней спустя, после того как султан его освободил. Наряду со своим командующим Алиятом каппадокийцы и другие малоазиатские части поклялись поддержать его против узурпатора, возведенного в Константинополе после распространения ложных известий о смерти Романа в бою.