Но Тимур, поднявшись до верховьев Тобола, повернул на запад и совершил переправу в верховьях Урала (Яика). Тохтамыш со своим войском вынужден был отступить из Крык-Куля. Некоторые подкрепления Тохтамыша, прибывшие на прежнее место сбора, оказались в ловушке и стали лёгкой добычей Тимура. Форсировав Урал (Яик) в его верховьях без помех, войско Тимура дошло до реки Ик (приток Камы), не встречая сопротивления. Это показывает, что Тохтамыш решил избрать путь отхода, рассчитывая на то, что войска Тимура сами растянутся или разбредутся в поисках пищи.
Отход Тохтамыша не сопровождался активными действиями его войска. Оно в это время почти не нападало на противника. Поэтому расчётам Тохтамыша не суждено было сбыться. Тимур твёрдо управлял войском и не позволил ему растянуться. Дальнейший отход для Тохтамыша становился опасным, так как мог перерасти в беспорядочное отступление. Тохтамыш вынужден был дать сражение на реке Кундурча.
Утром 18 июня 1391 года войска Тимура и Тохтамыша встали друг против друга. В этом сражении Тимур имел 4 корпуса. На этот раз корпуса Тимура имели по три тьмена. Численность его войск достигала 12 тьменов или 120 тысяч человек. Центр, левое и правое крылья имели по одному корпусу. В резерве оставался один корпус, или три тьмена. Тохтамыш собрал примерно такое же по численности войско. Поэтому сведения, что у того и другого было по 200 тысяч воинов являются явным преувеличением.
Не сумев растянуть боевые порядки войска Тимура, Тохтамыш решил охватить его фланги и навязать сражение в окружении. Для этого он бросил в сражение сразу почти всё войско. Так безграмотно до него не поступал никто. И хотя вначале Тохтамышу удалось охватить фланги войска Тимура, тюрки, встретив организованное сопротивление, не смогли преодолеть его. Резервов для создания перелома на одном из флангов не оказалось. К тому же, глядя на такую безграмотную организацию сражения, Тохтамышу изменили хан Бек-Булат, царевичи Ходжам ад-дин, Туртджак-берде, Давуд и князь Тегин. Вместе с ними ушли и их люди.
Этим воспользовалось войско Тимура и перешло в наступление. Тюрки Тохтамыша стали отходить. Усиленное резервом правое крыло Тимура с ходу форсировало реку Кундурчу и попыталось прижать войско Тохтамыша к Волге, после чего это войско обратилось в беспорядочное бегство. Сам Тохтамыш чудом спасся. Его спасло то, что войско Тимура, особенно лошади, за время похода сильно устало. Потери войска Тохтамыша были большими, но не столь огромными (до ста тысяч), как сообщают официальные историки. Эти потери составили не более 30 тысяч человек. И Тимур не был ослаблен так сильно, как описывают тюрко-мусульманские историки.
В 18 могилах, указанных на карте Фрао Маура, захоронены не темники, так как такого количества темников у Тимура просто не было. В этих могилах захоронены тысячники со своими погибшими воинами и воинами других тысяч. Следовательно, если грубо предположить, что с каждым тысячником похоронена тысяча человек, то это составит не более 20 тысяч воинов. И всё-таки войско Тимура было сильно уставшим. Полгода оно шло к месту сражения, что, несомненно, было большим испытанием. Поэтому победа в сражении далась нелегко. Войску требовался длительный отдых.
И Тимур его предоставил. 26 дней войско Тимура отдыхало и собирало трофеи. После сражения войскам Тимура досталась огромная добыча. Только для Тимура было отобрано более пяти тысяч молодых парней и девушек. Кроме того, были захвачены огромные стада скота и другие богатства. Во время отдыха Тимур согласился отпустить всех ханов и царевичей, которые перешли на его сторону, в свои улусы. На правый берег Волги Тимур не пошёл, полагая, что Тохтамыш не сможет уже оправиться.
На такой вывод его наталкивало то. что почти все ханы, эмиры и беки восточнее Волги перешли на его сторону, да и некоторые западнее Волги поддерживали его, и он вернулся в Тюркестан. Но так только казалось. До осени 1391 года о местонахождении Тохтамыша никто ничего не знал. Этим воспользовался Бек-Булат. Он захватил Сарай и объявил себя ханом. В Сарае стали чеканить его монеты с титулом «Султан правосудный». Однако земли, принадлежавшие бывшим соратникам Мамая, перешедшим на сторону Тохтамыша, не подверглись погрому, они находились западнее Волги.
Они вновь поддержали Тохтамыша, которому снова удалось собрать войско и выдворить Бек-Булата из города Сарая. Бек-Булат бежал в Крым. Тохтамыш осадил его в Крыму, но вынужден был снять осаду, так как Темир-Кутлуг захватил Сарай. Тохтамыш снял осаду и вернулся в Сарай. Темир-Кутлуг, не имея достаточных сил, оставил Сарай.