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

„Сказание о Мамаевом побоище“ свидетельствует, что русские войска шли в бой под чёрмным (то есть красным) знаменем с изображением золотого образа Иисуса Христа. Миниатюры XVII века изображают в качестве знамени красный стяг с православным крестом.

Утро 8 сентября было туманным. До 11 часов, пока туман не рассеялся, войска стояли готовыми к бою, поддерживали связь („перекликались“) звуками труб. Князь вновь объезжал полки, часто меняя лошадей. В 12 часов показались на Куликовом поле и татары. Битва началась с нескольких небольших стычек передовых отрядов, после чего состоялся знаменитый поединок татарина Челубея (или Темир-бея) с иноком Александром Пересветом. Оба поединщика пали мёртвыми (возможно, этот эпизод, описанный только в „Сказании о Мамаевом побоище“, является легендой). Далее последовал бой сторожевого полка с татарским авангардом, возглавляемым военачальником Теляком (в ряде источников – Туляк). Дмитрий Донской сначала был в сторожевом полку[12], а затем встал в ряды большого полка, поменявшись одеждой и конём с московским боярином Михаилом Андреевичем Бренком, который затем сражался и принял смерть под знаменем великого князя.

„Сила велика татарская борзо с шоломяни грядуще и ту пакы, не поступающе, сташа, ибо несть места, где им разступитися; и тако сташа, копиа закладше, стена у стены, каждо их на плещи предних своих имуще, предние краче, а задние должае. А князь велики такоже с великою своею силою русскою з другого шоломяни поиде противу им“[13]. Бой в центре был затяжной и долгий. Летописцы указывали, что кони уже не могли не ступать по трупам, так как не было чистого места. „Пешаа русскаа великаа рать, аки древеса сломишися и, аки сено посечено, лежаху, и бе видети страшно зело…“[14] 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“[15]. „На правой стране князь Андрей Ольгердович не единою татар нападши и многих избил, но не смеяша вдаль гнатися, видя большой полк недвижусчийся и яко вся сила татарская паде на средину и лежи, хотяху разорвати“[16]. 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 Андреевич, 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 ордынцев 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[17].

Летописцы сильно преувеличивают число погибших ордынцев, доводя его до 800 тыс. (что соответствует оценке всего войска Мамая) и даже до 1,5 млн человек. „Задонщина“ говорит о бегстве Мамая сам-девять в Крым, то есть о гибели 8/9 всего войска в битве.

Ордынцам при виде удара засадного полка приписывается фраза „молодые с нами бились, а доблии (лучшие, старшие) сохранились“[18]. Сразу после битвы была поставлена задача пересчитать, „сколько у нас воевод нет и сколько молодых (служилых) людей“. Московский боярин Михаил Александрович сделал печальный доклад о гибели более 500 бояр (40 московских, 40–50 серпуховских, 20 коломенских, 20 переяславских, 25 костромских, 35 владимирских, 50 суздальских, 50 нижегородских, 40 муромских, 30–34 ростовских, 20–23 дмитровских, 60–70 можайских, 30–60 звенигородских, 15 углицких, 20 галицких, 13–30 новгородских, 30 литовских, 70 рязанских), „а молодым людям (младшим дружинникам) и счёта нет; но только знаем, погибло у нас дружины всей 253 тысячи, а осталось у нас дружины 50 (40) тысяч“. Также погибло 12 белозёрских и двое тарусских князей, среди погибших упоминаются Семён Михайлович и Дмитрий Монастырёв, о гибели которых известно также соответственно в битве на р. Пьяне в 1377 году и битве на р. Воже в 1378 году. В общей сложности погибло около 60 % всего командного состава русского войска. Е. А. Разин полагал, что в Куликовской битве со стороны русского войска погибло ок. 25–30 тысяч человек. А. Н. Кирпичников сделал осторожное предположение, что в сражении могло погибнуть около 800 бояр и 5–8 тысяч человек. А. Булычёв на основе исследования аналогичных сражений в средневековой Европе сделал предположение, что русское войско могло потерять около трети всех воинов.

Наличие в русском войске сурожан в качестве проводников даёт основание предполагать о намерении командования русской рати осуществить поход в глубь степей, в которых кочевали татары. Но победу на Куликовом поле не удалось закрепить полным разгромом Золотой Орды. Для этого не было ещё достаточных сил. Учтя большие потери русской рати и опасность похода в глубь степей с небольшими силами, командование приняло решение возвратиться в Москву[19].

Когда обозы, в которых повезли домой и многочисленных раненых воинов, отстали от главного войска, литовцы князя Ягайло добивали беззащитных раненых[20]. Основные силы Ягайло в день битвы находились всего в 35–40 км западнее Куликова поля. С временем похода Ягайло связывают потерю своего прежнего удела Дмитрием Ольгердовичем (удел был передан Ягайло его младшему брату Дмитрию-Корибуту).

Некоторые рязанцы в отсутствие своего князя, выдвинувшегося со своим войском на юг, также грабили обозы, возвращающиеся в Москву с Куликова поля через Рязанскую землю[21]. Однако уже в 1381 году Олег Рязанский признал себя „младшим братом“ и заключил с Дмитрием антиордынский договор, аналогичный московско-тверскому договору 1375 года, и обещал вернуть захваченных после Куликовской битвы пленных[22].

В результате разгрома основных сил Орды её военному и политическому господству был нанесён серьёзный удар. В полосу затяжного кризиса вступил другой внешнеполитический противник Московского великого княжества – Великое княжество Литовское. „Победа на Куликовом поле закрепила за Москвой значение организатора и идеологического центра воссоединения восточнославянских земель, показав, что путь к их государственно-политическому единству был единственным путем и к их освобождению от чужеземного господства“[23].