На этом этапе Роман почувствовал некоторое разочарование, поскольку полная победа над врагами ускользала от него. Он прекрасно понимал, что от этой победы зависела не только безопасность границ, но и его собственное политическое выживание, поскольку в Константинополе у него было много врагов. Договариваясь о браке с Романом, Евдокия намеренно оставила своего деверя, Иоанна Дуку, и Михаила Пселла в неведении, прекрасно понимая, что они увидят в возвышении Диогена угрозу наследным правам юного Михаила VII и собственному положению при дворе. Пселл был личным другом Константина X и помог его восшествию на престол, так что его политическое будущее было неразрывно связано с могущественной фамилией Дук. Соответственно Пселл и его союзники, семья Дук, только и ждали подходящего момента, чтобы свергнуть Романа. Именно поэтому весной 1071 года император вновь отправился на восток Малой Азии, надеясь добиться полной военной победы, как это было в 971 году в Болгарии.
Поначалу кампании сопутствовал успех. Роман отбил у противника армянский город Манцикерт. Когда его разведчики сообщили о присутствии турецкой армии под предводительством самого султана Алп-Арслана, Роман решил, что у него достаточно войска, чтобы отвергнуть мирные предложения врага, и приказал идти на турецкую армию. Поначалу византийцы, казалось, одерживали верх. Сельджуки дрогнули под их натиском и рассеялись. Император преследовал врагов, пока не стало темнеть, и в итоге вместе со своим телохранителем оказался отрезан от византийской армии. После ожесточенного боя, в ходе которого его конь был убит под ним, а Роман несколько часов отбивался от противников мечом, император был взят в плен. Опустилась ночь, и битва при Манцикерте, произошедшая 26 августа 1071 года, закончилась. Она вошла в историю как катастрофа, но на самом деле таковой не была. Не была она и слишком уж кровопролитной, и жертв с обеих сторон оказалось сравнительно немного, так что ее нельзя сравнивать с тяжелейшими поражениями, которые византийцы потерпели от болгар в 811 и 917 годах. Большинство византийских солдат просто бежали с поля боя: один из офицеров Романа, Андроник Дука, сын озлобленного на соперника Иоанна Дуки, призвал их покинуть императора еще до того, как тот был захвачен врагами. Естественно, сторонники Романа расценили этот поступок как предательство, но его также можно рассматривать как разумный шаг, позволивший избежать более серьезных потерь. Пленение императора оказалось, конечно, тяжким ударом, но всего через восемь дней султан отпустил его и разрешил вернуться к своей армии: Алп-Арслан был гораздо больше заинтересован в возвращении в Сирию, чтобы продолжить войну против Фатимидов. Таким образом, предполагаемая катастрофа оказалась лишь злосчастной и досадной неудачей.