Osmanlıların Rumeli'deki faaliyetlerinin devam etmesi, akıncıların Bosna'ya ve Arnavutluk'a kadar ilerlemeleri Haçlıları telaşa düşürdü. Macar Kralı Sigismund, Papa'nın da desteğiyle başta Fransız, İngiliz ve Alman kuvvetleri olmak üzere bütün Avrupa ülkelerinin katılımıyla oluşan Haçlı Ordusu'nun başına geçti. Bu ordu 1396 yılının Mayıs ayında harekete geçti.
Bu ittifakın amacı beş yıldır kuşatma altında bulunan İstanbul'u kurtarmaktı. Haçlılar Tuna kıyısındaki Niğbolu kalesini kuşattılar. Kale kumandanı Doğan Bey, Yıldırım Bayezid komutasındaki Osmanlı Ordusu yetişinceye kadar kaleyi başarıyla savundu. 1396 yılında Niğbolu kalesi önlerinde çok kanlı çarpışmalar oldu. Haçlılar, tarihe Niğbolu Savaşı olarak geçen bu çatışmada büyük bir bozguna uğradılar. Savaş sonunda Haçlıların aldığı yerler Osmanlı Devletine geçti. Bulgar Krallığı ortadan kaldırıldı ve Macaristan içlerine doğru akınlar yapıldı. Haçlı dünyası yarım yüzyıl Türklerin üzerine yürümeye cesaret edemedi. Bu savaştan sonra Yıldırım Bayezid'e Abbasi Halifesi tarafından "Sultan-i iklim-i Rum" yani "Anadolu Sultanı" ünvanı verildi.
Niğbolu Savaşından sonra İstanbul üçüncü defa kuşatıldı. Daha önceden yapımına başlanmış olan Anadoluhisarı bu kuşatma sırasında tamamlandı. Güçlü bir deniz kuvveti ve büyük topların olmaması fethi engelliyordu. Bu sebeple Yıldırım Bayezid, Türk Denizciliğini geliştirmeye çalıştı. Yıldırım İstanbul'u kuşatma altında tutarak, şehrin teslim olacağını düşünüyordu. Ancak Timur tehlikesi ortaya çıkınca, Bizans'la bir antlaşma yapıldı ve kuşatma kaldırıldı. Bu antlaşmayla, İstanbul Sirkeci'de bir cami, bir İslam Mahkemesi ve bir Türk mahallesi kuruldu. Yıllık haraç arttırıldı. Aynı yıl Yunanistan'a ve Mora'ya sefer düzenlendi.
1398 yılında Karaman ülkesi ve Karadeniz beylikleri fethedildi. Bir yıl sonra da Dulgadiroğulları beyliğine son verildi. Yıldırım Bayezid, ayrıca İstanbul Galata'da bulunan Ceneviz Kolonisi ile de savaştı.