Согласно договорённости, войска союзников должны были встретиться 1 сентября 1380 г. на Оке. В ожидании прихода литовские войска, Орда Мамая вместе с ханом Тюляком находились на полях «за Доном». По свидетельству Пространной «Летописной повести», Мамай мог отказаться от похода, если бы ему дали такой «выход», какой платила Северо-Восточная Русь при хане Джанибеке, в период расцвета могущества Золотой Орды. Однако русские князья во главе с Димитрием Иоанновичем отказались. Правитель Москвы принял решение опередить противников и встретиться с Мамаем до его соединения с литовским войском. По свидетельству Пространной «Летописной повести», в походе приняли участие «все князья русские». Когда, перейдя Оку, войско подошло к Дону, некоторые воеводы предлагали остановиться, но Димитрий Иоаннович по совету Ольгердовичей принял решение перейти Дон и атаковать войска Мамая. 8 сентября 1380 г. русское войско сразилось с ордынцами на Куликовом поле, «на усть Непрядвы». Битва продолжалась весь день с большим ожесточением, оба войска несли огромные потери. Исход сражения решил удар «засадного полка» во главе с Владимиром Андреевичем. Обратившиеся в бегство ордынцы тонули в реке Мече. По свидетельству «Летописной повести», Димитрий Иоаннович вопреки уговорам князей и воевод с начала битвы «бився с татарами в лице, став напреди». Все доспехи его были повреждены, но ни одной раны враги нанести ему не смогли. Мамай бежал с поля сражения «в мале дружине». Ягайло, узнав об исходе сражения, из-под Одоева поспешно ушёл назад с войском. Вслед за ним вместе с дружиной бежал рязанский князь Олег, покинув княжество. Димитрий Иоаннович посадил в его столице (г. Переяславле Рязанском) своих наместников. В 1381 г. Олег смог вернуться на свой стол, но по договору, заключённому с Димитрием Иоанновичем, он также признал себя «братом молодшим» по отношению к правителю Москвы, обязался разорвать союз с Литвой и следовать по отношению к ней в русле московской политики. Так же Олег должен был вести себя и в отношениях с Ордой: если Димитрий Иоаннович заключит мир с Ордой и согласится выплачивать ей дань, то так же должен был бы поступить и рязанский князь; если же дело дошло бы до войны, то рязанский князь обязывался быть «с одиного на татар и битися с ними». 1380–1381 гг. были временем наибольших успехов Димитрия Иоанновича. Князья Северо-Восточной Руси подчинялись его политическому руководству. Наиболее могущественные из русских соседей (правители Твери и Рязани) признали себя «братьями молодшими» Димитрия Иоанновича и обязались следовать его политике в отношении Литвы и Орды. Литовское наступление на Северо-Восточную Русь было остановлено, в смоленских и черниговских княжествах в верховьях Оки вновь утвердилось московское влияние. Объединившиеся вокруг Москвы русские княжества отказались платить «выход» могущественному ордынскому правителю Мамаю и соединёнными силами нанесли ему поражение. Эта победа имела огромное моральное значение, т.к. показывала, что, соединив силы, русские земли могут избавиться от иноземного господства. С этого времени перед Димитрием Иоанновичем на пути осуществления его политических планов стали возникать всё более серьёзные трудности.