По древнему обычаю бой был предварен поединком богатырей, на который каждое войско возлагало большие надежды. Поединок был как бы гаданием о судьбе, предсказанием исхода битвы: то войско, чей богатырь одолевал противника, получало уверенность и в общей своей победе. С русской стороны поединщиком выступил Александр Пересвет. Два богатыря съехались в копья между полками «и спадоша с коней оба на землю и умроша…». Могила Пересвета находится в Москве в Старом Симонове.
Дмитрий Иванович перед боем снял с себя великокняжеские доспехи и поставил под главный стяг одетого в эти доспехи боярина Михаила Бренка. Татары много раз подрубали знамя и убили в конце концов мужественного Бренка, думая, что им удалось убить самого великого князя. Дмитрий же, облачившись в простые доспехи, принял, участие в битве. Он был нигде и был везде, в каждом воине, «став напреди, на первом суйме». Его удерживали, предостерегали, «многажды глаголяша ему: «Княже, господине! Не ставися напреди битися, но позади или на криле или негде в опришнем месте!» Но человек, поднявший почти всю Россию на тяжелый и суровый бой, достойно отвечал: «Да како аз возглаголю: «братья моя, да потягнем вси соодиного!», а сам лице свое почну крыти и хоронитися назади? Не могу в. том быти, но хощу, якоже словом, такожде и делом — напереди всех!».
Яростная битва продолжалась несколько часов, а по некоторым сведениям — до самого вечера. Войска Мамая начали одолевать русских; грозило убийственное преследование конницы… Но в этот точно уловленный момент «нукнув князь Владимир Андреевич (засадный полк) с правыя руки на поганого Мамая» и обрушился на ближайший, фланг противника. В битве произошел перелом. Русские опрокинули войска Мамая и начали преследование, «гоняше их на 30 верст» до-самой реки Мечи. В опустевшей ханской ставке (Мамай «сам-девят» бежал в Крым) были взяты богатые трофеи: оружие, доспехи, кони, волы и «вельблуды» (верблюды). С трудом воины нашли своего князя, заслужившего этой битвой на Дону славное имя Донского. Дмитрия искали в грудах трупов, через которые и «конь перескочить не мог»; он нашелся в дубраве израненый, с избитым доспехом, но живой.
Русские потери были неисчислимы. Во всех описаниях битвы сквозь радость полной небывалой победы сквозит глубокая печаль по поводу потерь, исчисляемых десятками тысяч. Погиб ряд князей, убито около 500 бояр и великое множество простых воинов из разных концов Руси. «Стал князь великый с братом своим князем Владимером Ондреевичем и с своими воеводами на костех. Грозно бо, брате, в то время посмотрети: лежать трупы христианьскиа, акы сенныи стоги, а Дон-река три дни кровью текла…»
