27 шабана 916 года от Хиджры (29 ноября (9 декабря) 1510) недалеко от Мерва произошла битва между войском узбекского хана Мухаммада Шейбани и армией кызылбашей под командованием шаха Исмаила I. Сражение завершилось разгромом узбекской армии, которая потеряла около 10 тысяч человек убитыми. По приказу шаха тело узбекского хана было расчленено, а его части разосланы правителям соседних государств. В результате этой победы власть Сефевидов распространилась на весь Хорасан и земли вплоть до Амударьи. При поддержке кызылбашей тимуридский эмир Мухаммад Бабур, признавший себя вассалом Сефевидов, захватил большую часть Мавераннахра, но не сумел привлечь на свою сторону местное население. Оправившись от поражения, Шейбаниды перешли в наступление и в ноябре 1512 года у города Гиждувана нанесли поражение объединенным силам Бабура и кызылбашей под командованием шахского полководца Наджми Сани.

В то время как в Азербайджане кызылбаши во главе с Исмаилом, сыном шейха Гейдара, начали борьбу против ширваншахов и конфедерации Ак-Коюнлу и создали государство Сефевидов со столицей в Тебризе, в Центральной Азии кочевые узбеки под предводительством Мухаммада Шейбани, прямого потомка Чингисхана, воспользовались нестабильностью во владениях Тимуридов в Мавераннахре и Хорасане. В 1501 году Шейбани-хан овладел Самаркандом и сделал его столицей своего государства. Несмотря на призывы хорасанского правителя Хусейна Байкары, кызылбаши, занятые усмирением иранских феодалов, не могли воспрепятствовать усилению узбеков. В результате в 1507 году Мухаммад Шейбани завоевал Герат и вскоре присоединил большую часть Хорасана к своим владениям в Туркестане и Мавераннахре.

С момента возникновения двух государств между Шейбанидами и Сефевидами сложились враждебные отношения, что определялось политическими, экономическими и религиозными факторами. Военно-кочевая знать обеих тюркских держав была нацелена на завоевание соседних земель, и главной ареной соперничества становился Хорасан. Амбиции феодалов подогревались и религиозными мотивами, поскольку шиитские взгляды кызылбашей противоречили суннитским убеждениям мусульман Туркестана и Мавераннахра. В результате после окончательного объединения земель Ак-Коюнлу под своей властью кызылбаши обратили взоры на бывшие владения Тимуридов и в 1510 г. вторглись в Хорасан.

Шейбани-хан не решился дать бой превосходящим силам противника и отступил из Герата в Мерв, где начал укреплять оборонительные сооружения. Высокие стены города позволяли ему выдержать длительную осаду и благополучно дождаться прибытия основных сил под командованием его сына Тимур-султана и племянника Убейдуллы-хана. Первая стычка между сторонами произошла у селения Тахирабад, где передовой отряд кызылбашей столкнулся с многочисленным узбекским войском. Борьба была чрезвычайно упорной, и командир шахского отряда Данэ Мухаммед-бек был убит стрелой. Несмотря на это, как пишет персидский историк Гиясуддин Хондемир в своём труде «Хабиб-ус-сияр», кызылбаши "взметнули вверх знамена и погнали устрашенные полчища узбеков внутрь мервских стен".

Вскоре основные силы шаха окружили крепость и начали осаду. В течение недели кызылбаши безуспешно пытались проникнуть в город, а узбеки ограничивались небольшими стычками и уклонялись от сражения. Гиясуддин Хондемир пишет: "Хотя завоевание Мерва для шахского войска было задачей вполне осуществимой, однако его величество, принимая в расчет возможные потери в рядах своих войск, не был склонен отдавать приказ на такое дело. Время проходило главным образом в том, что шахские солдаты в полном вооружении устремлялись к городским воротам, а из города, в свою очередь, выходили неприятельские отряды, и противники сходились в открытом поле. В большинстве случаев удача склонялась на сторону войска его величества, и в каждой стычке узбеки оказывались побитыми, но иногда, как это свойственно судьбе, и шахским солдатам приходилось отведать «из рук виночерпия смерти кубок кончины». Случалось и так, что те из шахских солдат, которые попадали в плен, по приказанию Мухаммад-хана предавались смерти".

Для того чтобы выманить Шейбани-хана из крепости, шах Исмаил прибег к военной хитрости. Он снял осаду и разбил лагерь у деревни Махмуди, расположенной в 15 километрах от Мерва. Шах никому не сообщил о своих планах, и поэтому "многие из военачальников и сановных вельмож, ничего не знавшие об истинных причинах этого отступления, были чрезвычайно удивлены, погрузились в раздумье и пришли в состояние расстройства и возмущения в силу излишнего усердия". В своем послании Шейбани-хану шах написал: "Некоторое время тому назад ты нам писал, что имеешь намерение совершить хадж и по этой причине в недалеком будущем направляешься в Ирак и Азербайджан. Мы в ответ написали тебе, что сами намереваемся совершить паломничество к гробнице Али ибн Мусы ар-Риды (в Мешхеде) и в скорейшем времени думаем туда направиться. Так как твое обещание тобою не было выполнено, то мы, исполняя свое обещание, двинулись на Мешхед, удостоились приблизиться к святому месту и получить исполнение надежд. Для того чтобы встретиться, мы сами пожаловали к Мерву, в котором вы пребываете. Но и в этом случае с вашей стороны не последовало того, что предписывается правилами учтивости. Поэтому мы направимся назад и будем делать зимние стоянки кое-где по областям Хорасана. А в начале весны, при выступлении войска тюльпанов и (других) цветов, мы выйдем на поле битвы, дабы то, что скрыто за завесою тайны, обнаружилось явно".

Потом сефевидский правитель приказал одному из своих полководцев Нул-и-Махмуди Эмир-беку с тремястами всадников расположиться на мосту через реку Махмуди и обратиться в бегство при появлении узбекского войска. Шах рассчитывал на то, что Шейбани-хан, преследуя всадников, перейдет через мост, отдалиться от крепости и будет захвачен врасплох главными силами кызылбашей, расположившимися по другую сторону реки. Замысел шаха полностью удался. По свидетельству Хондемира, "Мухаммад-хан Шейбани, узнавший, что шах Исмаил снял лагерь и направился в Ирак, полагал, что неприятельские войска пойдут прямо до самых пределов Ирака и Азербайджана. Вместе с тем, однако, ради соблюдения осторожности, в первый день он не выходил из города и только утром в пятницу с многочисленным войском выступил из ворот Мерва. Сам он занял место в центре войска, фланги поручил Джан Вефа-мирзе и Камбар-бию, после чего с чрезвычайным самомнением пустился преследовать шаха Исмаила. В то время как Мухаммад-хан Шейбани находился в пути, ему доставили письмо шаха. Узнав содержание письма, он подумал, что причина этого послания заключается в том, что по слабости своих сил шах не рискует тягаться с ханом. Сделав такое заключение, Шейбани-хан больше прежнего направил все свои помыслы на преследование шахского войска и приказал ходже Кемаль-уд-дину Махмуду Сагарджи взять с собою в Мерв доставившего письмо курьера, задержать его и одновременно с этим выслать из города всех тех воинов, которые там еще оставались. Сам же Шейбани-хан с поспешностью продолжал путь. Когда он стал приближаться к деревне Махмуди, Эмир-бек, мухрдар, согласно приказанию, обратился в бегство. Мухаммад-хан Шейбани лишь только заметил это, тотчас же преисполнился радостных надежд на победу и стремительно перешел через речку Сиях-аб".

По словам Хасан-бека Румлу, узбекские полководцы разгадали ловушку и советовали хану не выходить из Мерва, а дождаться подхода подкреплений. Но тот не прислушался к своим военачальникам и внезапно оказался лицом к лицу с основными силами Сефевидов. Разгорелась ожесточённая битва, в которой войска шаха имели численное и моральное преимущество. Вскоре узбеки начали беспорядочно отступать, так что "русло реки Махмуди было запружено людьми и лошадьми и кто бы ни пытался перейти ее, проходили по телам людей и коней". Во время отступления отряд из пятисот всадников во главе с Шейбани-ханом увяз в солончаке, который был окружён валом ещё при султане Санджаре. Кызылбаши окружили беглецов и стали обстреливать их из луков. «Узбеки падали друг на друга, — пишет Хондемир, — и многие из них погибли под копытами лошадей. Так как те, у которых еще оставалось дыхание жизни, становились ногами на мертвецов и влезали на стены этой ограды, то воины валили их наземь ударами сабель. Когда вся эта толпа была перебита, многие из отряда его величества стали разыскивать между убитыми Мухаммад-хана, и некто по имени Азиз-ага, из шахских курчи, известный по прозвищу Али-бахадур, узнал его. И он отделил голову от туловища в той самой ограде, где под массою зловонных трупов, задохнувшийся вследствие падения на него беглецов, хан вручил свою душу богу".

Наградив отличившихся в сражении полководцев и солдат, шах Исмаил приказал "соорудить из голов убитых в сражении (врагов) целые минареты". Что касается участи населения Мерва, то в источниках приводятся противоречивые сведения на этот счет. Согласно персидским хронистам, шах Исмаил пощадил горожан, что можно объяснить политическим расчетом и желанием привлечь симпатии местной знати, поскольку Мерв занимал стратегическое положение. Согласно «Тарих-и Муким-хани», напротив, шах Исмаил разрушил крепостную стену и башни Мерва и учинил страшную резню, казнив около 70 тысяч человек, после чего сложил из их голов колонны высотой 60 локтей. Затем в городе начался голод, и оставшиеся в живых стали покидать его.

Шах был настолько возбужден своей победой, что приказал расчленить труп Шейбани-хана и разослал его части правителям соседних государств. Череп хана он оставил себе и превратил его в позолоченную чашу. Правая рука была отправлена правителю Мазендерана Ага Руз Афзуну, который поддерживал Шейбани-хана, левая рука — Захир-ад-Дину Бабуру, которому были переданы слова шаха: «Шахи-бек лишил тебя Самарканда, а я его лишил всего мира». Кожа, содранная с головы Шейбани-хана, была набита соломой и отправлена в Константинополь для устрашения султана Баязида II. Этот недружелюбный акт был оставлен султаном без последствий из-за внутренних неурядиц и мятежа его младшего сына Селима. Баязид ограничился ответным письмом, в котором советовал шаху Исмаилу не провоцировать кровопролития между мусульманами. Однако шах верил в свою богоизбранность, и главное — в это свято верили его последователи. На горизонте замаячил первый и самый затяжной военный конфликт между государством Сефевидов и Османской империей.