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».
Ход битвыВ центре и на левом фланге русские были на грани прорыва своих боевых порядков, но 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).
Придушивши повстання у 493 до н. е., перська армія під командуванням полководця Мардонія навесні 492 переправилася через Геллеспонт для завоювання Греції, але після загибелі флоту (близько 300 кораблів) під час бурі поблизу Афона змушена була повернутися назад, обмежившись окупацією Фракії.
Навесні 490 до н. е. перська армія під командуванням полководців Датіса й Артаферна направилася морським шляхом через острова Родос, Наксос і Делос до Евбеї і, захопивши її, висадилася на марафонській рівнині, де відбулася знаменита битва під Марафоном (490 до н. е.), в якій афіняни та платейці під командуванням Мільтіада одержали вагому перемогу над персами.
Протягом 10-річного перепочинку в Афінах з ініціативи вождя демократичного угруповання Фемістокла був створений великий флот. Напередодні перського походу у Коринфі відбувся Істмійський конгрес, де 30 грецьких держав уклали союз. Новий похід персів у 480 до н. е. очолював цар Ксеркс. Перське військо прорвалося через гірський прохід Термопіли, який захищали греки під командуванням спартанського царя Леоніда, спустошили Беотію, Аттику та зруйнували Афіни.
Однак у тому ж році перський флот зазнав тяжкої поразки біля острова Саламін. 479 до н. е. при Платеях було розгромлено сухопутне військо персів. У цей же час перський флот зазнав поразки біля мису Мікале. Ці перемоги по суті справи вирішили підсумок греко-перських воєн: перси змушені були очистити територію Греції, а греки перенесли військові дії в район Егейського моря та в Малу Азію.
У 470-х роках до н. е. Союзна грецька армія під командуванням афінського полководця Кімона, одержала кілька перемог, захопила узбережжя Фракії, ряд островів Егейського моря та Візантії й у 469 до н. е. завдала нищівної поразки персам у битві при гирлі р. Еврімедонт.
Проте військові дії з тривалими перервами продовжувалися до 449 до н. е., коли в битві біля м. Саламіні (на Кіпрі) греки одержали велику перемогу. Після цього з Персією був укладений, так званий, Каллієвий мир (названий за іменем афінського уповноваженого), за яким Персія позбавлялась своїх володінь в Егейському морі, Геллеспонті та Босфорі й визнавала за полісами Малої Азії політичну незалежність.