8 сентября 1380 г. состоялось историческое сражение: «И яко бысть въ 6 часъ дни, начаша появливатися оканнии Татарове въ поле чисте и исполчишася противу хрестьянъ; бе же обоихъ многое множество; и соидошася обе силы великия, покрыша поле яко на 13 връстъ. И бысть сеча велика и брань крепка, и трусъ великъ зело, яко не бывала отъ начала бо княземъ Русскимъ; и бишася отъ шестаго часа до девятаго, и прольяся кровь, яко дождевная туча, и паде множество трупу обоихъ. При часи же девятомъ призри Господь милостивымъ окомъ на родъ хрестьяньскии… И тако въскоре побегоша погании, а хрестьяне погониша въследъ ихъ, бьюще, и гониша, биюще, Мечи реки, а княжи полци до Содомлянъ и до становъ ихъ, и взяша все богатьство ихъ и стада, избиша ихъ многое множество, а инии истопоша»254
.Дмитрий Иванович героически бился во главе своего войска: «Самому же великому князю доспехъ весь обитъ бе, на телеси же его не бе никакия раны, а бися въ лице съ Татары на прьвомъ суиме. О семъ бо князи воеводы глаголаху ему: „господине, не стався напередъ, но назади или на крыле, или въ опришнемъ где месте“. Онъ же рече: „да како азъ възглаголю: братие, потягне [мъ] съ единого, а самъ лице свое почну крыти или хоронитися назадъ? но якоже хощу словомъ, тако и деломъ предъ всеми главу свою сложити за хрестьяне, да прочии, видевше то, да приимуть дръзость“. Да якоже рече, тако и сътвори: би бо ся, напередъ ста всехъ, и бе одесную его и ошюю его множество битыхъ, а самого кругъ оступиша обаполъ, яко вода многа, и многа ударения приятъ по главе и по всему телу, но Богъ соблюде и отъ всехъ»255
.Ягайло, находившийся от места битвы на расстоянии примерно одного дня пути, узнав о разгроме Мамая, предпочёл уйти: «А отселе, отъ страны Литовскиа, Ягаило князь Литовьскии прииде съ всею силою Литовьскою Мамаю пособляти, Тотаромъ поганымъ на помощь, а крестьяномъ на пакость, но и отъ техъ Богъ избавилъ: не поспеша бо на срокъ за малымъ, за едино днище или меньши. Но точью слышавъ Ягаило Ол [г] ердовичь и вся сила его, яко князю великому с Мамаемъ бои былъ, и князь великии одоле, а Мамаи побежденъ побеже, и безъ всякого пожданиа Литва съ Яга [и] ломъ побегоша назадъ съ многою скоростию, ни кимъ же гоними: не видеша бо тогда князя великаго, ни рати его, ни ороужьа его, токмо имени его Литва бояхоуся и трепетааху»256
. При этом три немецкие хроники (Иоганна Пошильге, Дитмара Любекского и Альберта Кранца) содержат известия о нападении литовцев на русских воинов, возвращавшихся домой. Так, Иоганн Пошильге сообщает: «В том же году была большая война во многих странах: особенно так сражались русские с татарами у Синей Воды, и с обеих сторон было убито около 40 тысяч человек. Однако русские удержали поле. И, когда они шли из боя, они столкнулись с литовцами, которые были позваны татарами туда на помощь, и убили русских очень много и взяли у них большую добычу, которую те взяли у татар»257.Русские летописи сообщают, что вместе с Мамаем татарским войском в Куликовской битве командовал хан Мухаммад-Бюляк: «Пришедшемъ рокомъ, преже бо начаша ся съеждати сторожевыи полки и Рускии с Тотарьскими, самь же великии князь наеха напередъ въ сторожевыхъ полцехъ на поганаго царя Теляка, нареченаго плотнаго дьявола Мамаа, таче потомъ, не долго попустя, отъеха князь въ великии полкъ»258
. Отсутствие последующих упоминаний о нём свидетельствует, что этот последний правитель Золотой Орды из потомков Бату был убит в сражении. Гибель восемнадцатилетнего хана Мухаммада-Бюляка 8 сентября 1380 г. в битве с русскими сыграла роковую роль в судьбе Мамая. По всей видимости, у него уже не было возможности поставить на престол нового хана.