Едва было получено известие о начале движения татар, Дмитрий Московский начал готовиться к походу. Требования прибывших в Кремль послов Мамая обуплате дани в повышенном размере были отвергнуты Дмитрием. Смотр собранного войска московский князь назначил в Коломне.
Перед тем как отправиться в поход Дмитрий Московский отправился в Троицкий монастырь под Москвой, чтобы спросить совета у тамошнего игумена Сергия, чей авторитет был непререкаем в русских землях. Игумен Сергий благословил московского князя на битву с татарами и послал ему в помощь двух своих иноков — Александра Пересвета и Андрея Ослябю.
Однако прежде, чем начались боевые действия, Дмитрий Московский отправил к Мамаю послов с дорогими подарками и просьбой не разорять русскую землю. Мамай ответил послам, что намерен вернуть на Русь стародавние обычаи хана Батыя.
20 августа войско московского князя вступило в рязанские земли. Однако, вопреки ожиданиям, Дмитрий не подверг Рязанское княжество опустошению, чтобы не настраивать против себя местное население накануне опасного сражения. Мамай тем временем ждал под городом Воронежем, когда к нему присоединятся Ягайло и Олег Рязанский.
Чтобы помешать татарам соединиться с литовским войском и рязанской дружиной, Дмитрий приказал войскам переправиться через Оку, границу русских владений, и нанести татарам удар в Диком Поле. 1 сентября русское войско переправилось через Оку и двинулось к Воронежу по Муравской дороге. В тот же день к московскому войску присоединился 46-тысячный отряд во главе с Андреем и Дмитрием Ольгердовичами.
7 сентября русское войско переправилось через Дон и разбило лагерь вблизи Куликова поля. Дмитрий Московский выбрал для сражения это место потому, что поле было нешироким, и это лишало татарскую конницу возможности маневра. За спиной у русских воинов протекал Дон, лишая их этим надежды спастись бегством в случае поражения. Русским, по замыслу Дмитрия Московского, оставалось либо погибнуть, либо победить.
Сражение произошло 8 сентября, в праздник Рождества Богородицы. Оно началось с поединка лучших татарского и русского воинов — Челубея и Пересвета. Затем в атаку устремилась татарская конница. Этим натиском был практически уничтожен передовой полк русского войска.
Однако на узком Куликовом поле Мамай не мог применить свою излюбленную тактику — охватить своей конницей все русское войско с флангов, чтобы затем нанести сокрушительный удар в тыл. Татары были вынуждены двигаться на нешироком пространстве друг за другом. Задние ждали, когда под русскими мечами полягут их передние товарищи, и лишь затем вступали в бой.
Место уничтоженного переднего полка русского войска занял главный полк. Мамай попытался зажать противника «в клещи», однако посланные им войска натолкнулись на отчаянное сопротивление русских полков правой и левой руки. Дмитрий Московский сражался в рядах главного полка в одежде и доспехах простого воина. Его плотным кольцом окружали московские дворяне.
По свидетельству очевидцев сражения, огромное пыльное облако, поднятое всадниками, закрыло солнце и сделалось темно, как ночью. Мамай бросал в бой все новые и новые подкрепления. Под их натиском дрогнули городские ополченцы. Был убит Михаил Бренко, который надел на себя княжеские доспехи Дмитрия Московского. Погибли все белозерские князья, которые охраняли великого князя московского. Сам князь Дмитрий был ранен.
Но в тот момент, когда татары окружили русский полк левой руки, в спину им ударил отряд Дмитрия Боброка, оставленный в засаде. Благодаря этому неожиданному удару татары, которые, казалось, окружили главный полк и левый фланг русского войска, сами оказались в окружении. И тогда в татарских рядах началась паника. Татары развернулись и побежали с поля боя. Позднее московский летописец так описал это событие: «И обратишася погании и даша плеща и побегоша...»
Попытка Мамая остановить бегущее войско, которое по численности все еще превосходило русское, не увенчалась успехом. Тогда и сам хан поскакал вслед за убегающими воинами. Русским достались большие трофеи — обоз противника и огромные стада коней, волов и верблюдов.
В этом сражении русское войско потеряло убитыми 40 московских бояр, 12 белозерских князей, 20 коломенских и 40 владимирских бояр и так далее. Похоронив убитых и отслужив молебен, русское войско двинулось назад на север.