Bilecik-Yenişehir bölgesinin fethinden sonra Osman Bey, Bizans’a ait olan İznik ve Bursa’yı almak için harekete geçmiştir. Osman Bey, Bizans’ın eski merkezi İznik’i kuşatmıştır. Bizans İmparatoru II. Andronikos, İznik’i kurtarmak için İstanbul’dan içinde farklı grupların yer aldığı 2000 kişilik bir kuvvet göndermiştir. Osman Bey, Bizans’a karşı Türkmenlerden yardım talep etmiş ve kalabalık bir orduyla Koyunhisar Kalesi mevkiinde Bizans askerlerine karşı koymuştur. 1302 yılının yaz mevsiminde yapılan Koyunhisar Muharebesi’nde Bizans ordusu bozguna uğratılmıştır. Koyunhisar Muharebesi’nin kazanılması, Osmanlı Beyliği’nin büyümesini kolaylaştırmıştır. Koyunhisar Muharebesi’nden sonra Osman Bey Bizanslı feodal beylerle iyi geçinip bölgedeki durumunu kuvvetlendirmiştir. Koyunhisar’ın ardından Osman Bey, Yenişehir’i alarak harekât üssü olarak kullanmıştır. Yenişehir’i aldıktan sonra İnegöl’e hücum etmiş ve burayı ele geçirmiştir. İznik ve Bursa üzerindeki baskıyı artıran Osman Bey, 1307 yılında Karahisar Kalesi’ni alıp İznik-İzmit bağlantısını kesmiştir. Osman Bey Bursa’yı almak için kuşatmışsa da 1324 yılında vefatı üzerine kuşatmaya yerine geçen oğlu Orhan Bey devam etmiştir.