Осенью Мамай повел на Русь 150-тысячное войско. В Кафе, генуезской колонии в Крыму (современная Феодосия), Мамай нанял отряд закованной в латы западноевропейской пехоты. Темник заручился так же союзом с великим литовским князем Ягайло Ольгердовичем и рязанским князем Олегом. Но союзники не спешили на соединение с Мамаем, они выжидали. Ягайле невыгодно было ни усиление Москвы, ни победа Орды. Олег же был вынужден играть роль союзника, чтобы спасти от разграбления свою землю. Рязань ближе всего находилась к Орде. Олег сообщил татарам броды на Оке, а Дмитрию Московскому о пути продвижения татар.

Навстречу ордынцам вышло многочисленное - до 150 тыс. - русское войско. Правда, многие историки считают, что численность и татар, и русских летописцами завышены. Никогда еще Русь не выводила на брань такого числа воинов. 

Кровопролитное сражение случилось 8 сентября 1380 года. Русские полки построились традиционным для себя строем - орлом. Но при этом оставили в засаде и в резерве около трети войска. Мосты через Дон русские сожгли по предложению литовских князей, чтобы у слабых духом не появилось искушение бежать с поля битвы.

Бой начался поединком богатырей: монаха Александра из Троице-Сергиевой обители и ордынского богатура Челубея. Витязи поразили друг друга копьями, Челубей упал на землю, конь русского богатыря принес мертвого седока в свой стан.

Татарские всадники пошли в атаку. Они смяли русский Сторожевой полк. Великий князь Дмитрий сражался в доспехах простого воина в Передовом полку. Воины этого полка почти все пали. Дмитрия после боя с трудом нашли: князь лежал без сознания, придавленный срубленным в схватке деревом. Ордынцам вначале удалось прорвать левый русский фланг. Они устремились в тыл Большому полку. Однако здесь им путь перекрыл перестроившийся Большой полк и резервные отряды.

Затем неожиданно на татар обрушился многочисленный Засадный полк во главе с Владимиром Серпуховским и Дмитрием Боброком. Нукеры Мамая побежали, сметая собственные подкрепления. Не спасла Мамая ни восточная конница, ни генуэзские наемники-пехотинцы. Мамай был разгромлен и бежал.

Русские встали, как тогда говорили, "на костях", то есть за ними осталось поле боя. Они одержали победу. Преследовать Мамая Дмитрий, прозванный с тех пор Донским, не стал.