После сближения противников, по описанию очевидцев, произошло единоборство русского и татарского богатырей. С русской стороны выехал инок Пересвет, а со стороны неприятеля — татарский богатырь Темир-Мурза. Ударили бойцы один другого — и оба упали мертвые. Тем временем Дмитрий возвратился из сторожевого полка и переоделся в простую одежду для того, чтобы сражаться в первых рядах вместе со всеми. Княжескую одежду надел Михаил Андреевич Бренок, он участвовал в бою под великокняжеским знаменем. Затем русский сторожевой полк выдвинулся вперед и более часа бился с неприятелем в полуокружении. Мамай наблюдал за ходом битвы с Красного холма (в 6–7 км южнее устья Непрядвы), где находилась его ставка.

Когда Дмитрий увидел, что сторожевой полк истекает кровью в неравной схватке с неприятелем, он вернулся к своим главным силам, чтобы ввести их в бой. В двенадцатом часу дня главные силы русских двинулись навстречу татарам. Полк правой руки примкнул к оврагам и перелескам у речки Нижний Дубяк; полк левой руки уперся в крутогорья речки Смолка. Условия местности не позволяли татарской коннице обойти фланги русского боевого порядка. Это вынуждало неприятеля наносить главный удар в центре. «И тако сступишася обе силы великиа на бой, — сообщает летописец, — и бысть брань крепка и сеча зла зело, и лиашеся кровь, аки вода, и падоша мертвых множество бесчислено от обоих сил, от татарскиа и русскиа…; всюду бо множество мертвых лежаху, и не можаху кони ступати по мертвым; не токмо же оружием убивахуся, но сами себя бьюще, и под коньскыми ногами умираху, от великие тесноты задыхахуся, яко немощно бе вместитися на поле Куликове…»

Самым устойчивым оказался правый фланг русского боевого порядка, отразивший все атаки. Но в центре, где разворачивались главные события, после трех часов боя противник стал одолевать. Русские несли большие потери, особенно досталось пешей рати. Только стойкость владимирских и суздальских полков во главе с Глебом Брянским и воеводой Вельяминовым позволила восстановить положение и предотвратить прорыв неприятелем фронта большого полка.

Критическая обстановка складывалась на левом фланге, где под натиском превосходящих татарских сил полк левой руки стал отходить к Непрядве. Неприятель усилил натиск, постепенно охватывая обнажившийся левый фланг большого полка. Лишь выдвижение резерва под командованием Дмитрия Ольгердовича устранило угрозу, нависшую над главными силами русской рати. В случае неудачи ей угрожала гибель, потому что сзади не было путей. В оврагах, кущах и лесах — перед Доном и Непрядвой — татары могли порубить все войско, однажды сбитое с места. Приближался кульминационный момент битвы.

В это время в Зеленой дубраве Боброк удерживал князя Владимира Андреевича и своих воинов от преждевременного вступления в бой, Несмотря на очевидность нараставшего превосходства неприятеля, воевода не спешил с подмогой еще и потому, что в лицо дул сильный ветер. Лишь к трем часам дня ветер переменился, и Боброк сказал своим ратникам: «Господине, отцы, и братиа, и чада, и друзи! Подвизтеся, время нам благо прииде, сила бо Святого Духа помогает на». Конница засадного полка внезапно обрушилась с тыла на главные си татар, увлеченных преследованием остатков подка левой руки. Впрочем, золотоордынцы к тому времени были сильно изнурены, резерва у Мамая не осталось. Стремительный удар засадного полка определил перелом в ходе битвы. В наступление перешли полк правой руки остатки большого полка. Крупные неприятельские силы были опрокинуты в Непрядву, многие утонули. Татары стали в беспорядке отступать к Красному холму.

Мамай не стал дожидаться полного разгрома своей армии. С малой дружиной он бежал с поля битвы. Остатки разбитой татарской рати бежали в южном направлении. Русские преследовали их до р. Красивая Меча на расстоянии около 50 км, умножая потери неприятеля. Спаслись только те, которые имели запасных коней, как, например, Мамай. Весь татарский лагерь попал в руки победителей. Там оказалось множество шатров, телег, лошадей, верблюдов, навьюченных варами, одеждой, оружием, коврами, утварью, деньгами.

Узнав о поражении татар, «князь Ягайло со всею силою литовсе побежа назад с великой скоростью, никем же гоним…» Литовцы,  холившиеся в 35–40 км от Куликова поля, отступали так быстро, будто их преследовала русская конница. Олег же Рязанский, услыша о выступлении победоносной русской рати в обратный путь, бежа Литву. Свое поведение он мотивировал так: «Аз хощу зде ждати вест как князь велики пройдет мою землю и приидет в свою отчину, И тогда возвращуся восвояси».

Когда преследование противника закончилось, Дмитрий приказал произвести подсчет оставшихся в живых. По свидетельству летописи русская рать после битвы насчитывала 40 тысяч воинов, что вполне вероятно. Следовательно, потери убитыми немногим превышали 20 тысяч, с умершими от ран доходили до 25–30 тысяч человек. Восемь дней русские подбирали и хоронили своих товарищей. Затем русская рать выступила в обратный поход и 21 сентября прибыла в Коломну. В Москву она вступила 28 сентября. Здесь победителей ожидала торжественная встреча. За победу над татарами московский князь Дмитрий был прозван «Донским».

Политические результаты победы на Куликовом поле трудно переоценить. Успех русского оружия разрушил прежнее убеждение в непобедимости Золотой Орды, увеличил число сторонников объединительного процесса и «сообщил московскому князю значение национального вождя Северной Руси в борьбе с внешними врагами» (В. О. Ключевский). Кроме князя Тверского, непримиримого врага Москвы, а также князя Рязанского, который поневоле должен был держаться Мамая, все русские князья и все русские земли выразили готовность участвовать в предстоящей борьбе русского народа с татарами. В 1381 год и Олег Рязанский признал, что все его отношения с Ордой и Литвой должны регулироваться московским князем Дмитрием.

Однако праздновать свержение даннической зависимости было еще рано. На месте Орды Мамая было образовано новое государство во главе с чингисидом Тохтамышем. После того, как он возвестил о своем воцарении в Золотой Орде, русские князья признали его власть и послали к нему послов с подарками. После неожиданного нападения Тохтамыша на Москву в 1382 году и других устрашающих акций московский князь был также вынужден подчиниться ордынскому хану.