Le sultan ottoman Bajazet, qui a été vaincu, est amené enchaîné à la cour du vainqueur, Tamerlano. Celui-ci a ordonné à Andronico de lui faire ôter ses chaînes, mais Bajazet se défie de cette décision. Il ajoute que la seule raison qui l'empêche de se suicider est son amour pour sa fille, Asteria (aria Forte e lieto a morte andrei). Tamerlano arrive et ordonne à Andronico de tenter d'obtenir le consentement de Bajazet et d'Asteria à ce que celle-ci l'épouse. Il y aurait une récompense pour Andronico qui deviendrait roi de Grèce et recevrait pour femme Irene ainsi que pour Bajazet qui serait libéré. Andronico est ennuyé, car c'est lui qui a présenté Asteria à Tamerlano dans le seul but qu'elle tente d'obtenir sa pitié, et le résultat c'est que Tamerlano est tombé amoureux d'elle. Tamerlano parle à Asteria de ses intentions et de l'offre qu'il a faite à Andronico. Asteria est furieuse contre Andronico, persuadée que ce dernier l'a trahie. Bajazet repousse avec hauteur la proposition de Tamerlano ; de plus il est en colère contre Asteria, persuadé qu'il est que sa fille est tentée d'accepter l'offre de son ennemi. Cependant, restée seule, Asteria avoue que malgré la trahison apparente d'Andronico, ses sentiments pour lui n'ont pas changé. Irene arrive et apprend qu'elle ne doit plus épouser Tamerlano, mais Andronico. Celui-ci lui dit qu'elle peut encore renverser la situation et lui suggère de prétendre qu'elle est la confidente d'Irene et de se faire recevoir par Tamerlano. Elle accepte de tenter ce plan, cependant qu'Andronico rumine sa situation difficile.
Tamerlano informe Andronico qu'Asteria a accepté de l'épouser et s'en réjouit. Andronico reproche à Asteria d'avoir accepté ce mariage. Elle lui répond en prétextant sa propre trahison, et part rejoindre Tamerlano. Andronico ne voit plus d'espoir que dans le refus de Bajazet pour récupérer l'amour d'Asteria. Irène, travestie en servante, se présente devant Tamerlano et Asteria. Celle-ci lui promet de l'aider à épouser Tamerlano. Irène reprend espoir. Andronico informe Bajazet qu'Asteria a accepté d'épouser Tamerlano, ce qui le rend furieux contre sa fille. Il jure d'empêcher ce mariage. Resté seul, Andronico se lamente de l'inconstance d'Asteria. Devant Tamerlano, Bajazet renie sa fille. Celle-ci, atterrée, repousse Tamerlano et révèle qu'elle n'avait accepté le mariage que par ruse et projetait de l'assassiner. Tamerlano renonce alors à Asteria. Cette dernière retrouve l'estime de son père et accepte l'amour d'Andronico, ouvrant ainsi la possibilité pour Irène d'épouser Tamerlano.
Bajazet propose à sa fille Asteria de partager du poison pour se suicider afin d'éviter le déshonneur de la captivité. Andronico se lamente d'avoir intercédé auprès d'Asteria en faveur de Tamerlano, et devant celui-ci, se déclare son rival. Tamerlano est rendu furieux et jure de se venger de tous. Restés seuls, Asteria et Andronico se jurent leur amour tout en prévoyant de mourir. Tamerlano convie Asteria, Andronico et Bajazet à sa table et ordonne à Asteria de lui verser une coupe. Celle-ci y verse en cachette le poison, mais survient Irène qui révèle la tentative d'empoisonnement. Andronico sauve la vie d'Asteria en renversant la coupe. Après l'avoir violemment apostrophé, Bajazet voue Tamerlano aux enfers et se suicide devant lui par le poison, ce qui provoque le désespoir de sa fille Asteria qui réclame la mort.Tamerlano pardonne alors à tous et, tandis qu'il épouse Irène, il offre à Andronico le royaume de Grèce et la main d'Asteria. Tous chantent la paix retrouvée.
