Для навязывания противнику решающего сражения в поле ещё до подхода союзных Мамаю литовцев или рязанцев, а также чтобы использовать водный рубеж для защиты собственного тыла в случае их подхода русские войска перешли на южный берег Дона и уничтожили за собой мосты.

Вечером 7 сентября русские войска были выстроены в боевые порядки. Большой полк и весь двор московского князя встали в центре. Ими командовал московскийокольничий Тимофей Вельяминов. На флангах встали полк правой руки под командованием литовского князя Андрея Ольгердовича и полк левой руки князей Василия Ярославского и Феодора Моложского. Впереди перед большим полком стал сторожевой полк князей Симеона Оболенского и Иоанна Тарусского. В дубраву вверх по Дону был поставлен засадный полк во главе с Владимиром Андреевичем и Дмитрием Михайловичем Боброком-Волынским. Считается, что засадный полк стоял в дубраве рядом с полком левой руки, однако, в «Задонщине» говорится об ударе засадного полка с правой руки. О делении на полки по родам войск неизвестно.

Вечером и ночью 7 сентября Дмитрий Иванович объезжал войска, делая смотр. Тогда же, вечером, татарские передовые части, тесня русских разведчиков Семёна Мелика, увидели русские построившиеся войска. В ночь на 8 сентября Дмитрий с Боброком выезжали на разведку и издали осматривали татарские и свои позиции.

Перед началом битвы Дмитрий Донской стал в рядах ратных людей, поменявшись одеждой со своим любимцем Михаилом Бреноком (или Бряноком). Эта хитрость, вероятно, обратила на Бренока внимание татар, которые всячески старались его уничтожить, в то время как сам князь получил больше свободы и возможности для ведения битвы. После генерального сражения Бренока нашли убитым, а близ него лежало множество русских князей и бояр, защищавших «князя».

В центре и на левом фланге русские были на грани прорыва своих боевых порядков, но помог частный контрудар, когда «Глеб Брянский с полками владимирским и суздальским поступи через трупы мёртвых». Основной удар татары направили на русский полк левой руки, он не удержался, оторвался от большого полка и побежал к Непрядве, татары преследовали его, возникла угроза тылу русского большого полка.

Владимир Серпуховской, командовавший засадным полком, предлагал нанести удар раньше, но воевода Боброк удерживал его, а когда татары прорвались к реке и подставили засадному полку тыл, приказал вступить в бой. Удар конницы из засады с тыла на основные силы золотоордынцев стал решающим. Татарская конница была загнана в реку и там перебита. Одновременно перешли в наступление полки Андрея и Дмитрия Ольгердовичей. Татары смешались и обратились в бегство.

Ход боя переломился. Мамай, наблюдавший издали за ходом сражения, бежал с малыми силами, как только засадный полк русских вступил в бой. У татар отсутствовали резервы, чтобы попытаться повлиять на исход боя или хотя бы прикрыть отступление, поэтому всё татарское войско побежало с поля битвы.

Засадный полк преследовал татар до реки Красивой Мечи 50 вёрст, «избив» их «бесчисленное множество». Вернувшись из погони, Владимир Андреевич стал собирать войско. Сам великий князь был контужен и сбит с коня, но смог добраться до леса, где и был найден после битвы под срубленной берёзой в бессознательном состоянии.

Итог

В результате разгрома основных сил Орды её военному и политическому господству был нанесён серьёзный удар (дальнейшее ослабление и распад Орды на менее крупные образования обычно связывают с поражением хана Тохтамыша от среднеазиатского правителя Тимура в 1395 году).