Персидское войско по численности уступало войску Креза. (В своей «Киропедии» древнегреческий учёный Ксенофонт упоминает о 200-тысячной армии персов, но эта цифра явно завышена в несколько раз.) Сражение на равнине Тимбра считается одним из самых ярких событий в военной истории Древнего мира.
Персидскую армию на поле битвы царь Кир построил в большое «каре» для того, чтобы его многочисленные лучники из первых рядов могли эффективно мешать лидийцам прорвать их строй. Или, иначе говоря, полководец Кир загнул свои сильные фланги назад, отчего получился огромный квадрат. Хорошо защищённой лучниками оказалась и персидская конница, в том числе и верблюжья. Такое построение неприятельского войска для лидийцев и их военных вождей оказалось полной неожиданностью.
Далее сражение на равнине Тимбра развивалось следующим образом. Лидийцы атаковали необычное боевое построение противника и окружили его. Но при этом на углах огромного квадрата в рядах лидийского войска образовались разрывы. Лидийцы уже в самом начале сражения стали нести большие потери от вражеских стрел и дротиков. Затем Кир послал в контратаку на лидийцев свою конницу, которая массированным ударом разбила вражеское войско на несколько частей. Лишённые единого управления, они были уничтожены персами по отдельности.
Поражение лидийской армии было полным. Царь Крез с небольшими её остатками бежал в свою столицу Сарды (вблизи современного турецкого города Измира). Персидский царь преследовал разгромленного противника до полной победы. Персы штурмом овладели Сардами только после 15-дневной осады города-крепости.
Кир пощадил побеждённого царя Креза и жителей Сард, оказавших ему отчаянное сопротивление. Милостивое же отношение персидского владыки к лидийцам положило конец их враждебности к Персии и даже обеспечило в дальнейшем поддержку лидийцами персидской армии. Здесь Кир II Великий проявил себя как искусный дипломат, тем самым обеспечив благонадёжность завоёванной им страны.
Вслед за Лидией персы подчинили себе один за другим многочисленные греческие города-государства в Малой Азии, расположенные на побережье Эгейского моря — Фокею, Милет, Галикарнас и другие. Многие из них по собственной воле признавали власть персидского царя. Это было особенно важно для будущей войны Персидской державы против собственно Греции на противоположном берегу моря.
В 545-539 годах до н.э. персы завоёвывают обширные среднеазиатские земли — Согдиану и Бактрию, страны, которые отличались высокой культурой орошаемого земледелия. Победы царской армии добывались во многом благодаря сильным ударам массы конных воинов во фланг и тыл противнику, что позволяло окружать его войска.