Для сражения Дмитрий выбрал по ту сторону Дона холмистое поле, перерезанное оврагами и реками с крутыми и обрывистыми берегами: Непрядвой, впадающей в Дон, Смолкой, Курцей и Нижним Дубяком. Посередине поля было болото, где водилось много куликов, оттого и поле звалось Куликовым. Сравнительно небольшое Куликово поле не давало возможности татарам применить свою излюбленную тактику обхода с флангов массами конницы: этому препятствовали реки и перелески. Татары должны были применить непривычную для них атаку с фронта, что ставило русских в выгодные условия. В ночь с 7 на 8 сентября, пользуясь мглой и туманом, русское войско переправилось через Дон и с утра стало выстраиваться в боевой порядок. Войско Мамая находилось в 7–8 верстах от Куликова поля.
До Куликовской битвы русская рать обычно делилась на три полка: «большой» полк, полк «правой руки» и полк «левой руки». Здесь же Дмитрий применяет иное расположение войск. Полк «правой руки» занял правый фланг и подошел к овражистым, лесистым берегам р. Нижний Дубяк. Полк «левой руки» занял боевые позиции у р. Смолки. Впереди был расположен «передовой полк», в состав которого вошли московская пешая рать Вельяминова и «сторожа» Семена Мели-ка. «Передовой полк» почти целиком состоял из пехоты. За передовым полком стоял «большой» полк под командованием самого Дмитрия Ивановича и московского воеводы Тимофея Васильевича Вельяминова. Еще дальше в глубине боевого порядка расположились резервы во главе с Дмитрием Ольгердовичем. В тылу, слева, спрятанный в засаде в Зеленой Дубраве, расположился «западной (засадный) полк» Владимира Андреевича Серпуховского и боярина Дмитрия Михайловича Боброка – Волынца.
Перед сражением князь Дмитрий объехал ряды воинов и обратился к ним с такими словами: «Кто из нас жив будет – блюдите Родину! Кто падет – о вдовах и сиротах не печальтесь, живые из нас опекут их. А я, коли паду, поручаю вам блюсти свечу великого нашего дела – укрепления Руси. Хранитель той свечи – пламень!»
В «большом» полку у главного знамени Дмитрий Иванович отдал коня и свой стяг любимому боярину Михаилу Бренку. Он знал правило противника: во что бы то ни стало уничтожить командующего или захватить его в плен. В двенадцатом часу показались передовые отряды татар, и вскоре все их войско стало сходиться с русскими. Подойдя на расстояние полета стрелы, татары остановились. По обычаю русский богатырь Пересвет вызвал на единоборство татарского богатыря Челобея. Богатыри пустили коней вскачь навстречу друг другу. От страшного удара кони присели, оба богатыря упали замертво. Столкновение богатырей стало сигналом к началу битвы.
Раздались звуки труб, крики, конский топот. Мамаевы орды ударили на «передовой полк». Имея значительное численное превосходство, они смяли его и затем обрушились на середину «большого полка». Прорвав центр, татары пробились к стягу великого князя и изрубили его. Переодетый князем боярин Бренк был убит. И все же «большой полк» выдержал натиск врага. Тогда татарские лавы устремились на левый фланг русских. «Полк левой руки» не выдержал удара и начал отходить к Непрядве. Татары выходили в тыл «большого полка». На правом фланге русские стояли крепко, но помочь «большому полку» не могли: командовавший «полком правой руки» Андрей Ольгердович не решался двинуться вперед, опасаясь, что если «большой полк» будет смят, то он окажется в западне. А между тем татары продолжали теснить русских. Уже раздавался по полю их победный вой и свист.
Увлекшись преследованием «полка левой руки», татары миновали дубраву. И в это время с фланга и тыла по ним ударил из засады «западной полк» во главе с Владимиром Серпуховским и воеводой Боброком-Волынским. Его удар был столь неожиданным, что татары дрогнули и задержались. Воспользовавшись этим, перешел в наступление «большой полк». Не выдержав нового удара, татары побежали. Мамай, наблюдавший за ходом битвы с Красного Холма, бежал с поля боя, оставив русским и свой богатый шатер, и драгоценности. Русские преследовали татар почти 30 верст, до речки Красивая Меча.
Сам князь Дмитрий Иванович бился с татарами в строю «большого полка». Вот что повествует об этом русская летопись: «У самого великого князя весь доспех был пробит, но на тепе его не было ни одной раны. А бился он с татарами лицом к лицу, став впереди, в первом полку. О том многие князья и воеводы говорили ему: