Расположение своих воинов Дмитрий Иванович продумывал заранее. В те времена русское войско делилось на крупные полки, которыми командовали отдельные князья. Встречать основной удар в центре должны были
Мамай же, как и многие ордынские ханы, личного участия в битве принимать не собирался. Он разместился со своим шатром на возвышенности неподалёку, готовый отдавать приказы своим туменам. Его план был прост и основывался на видимом численном превосходстве. Мамаю не было известно о Засадном полке, поэтому планировалось мощным ударом наёмников «в лоб» смять центр русского войска, а затем навалиться на фланги конницей.
Затем татарское войско обрушилось на Передовой полк. Его удалось смять довольно быстро, князь Дмитрий перебрался в Большой полк, который принял удар следующим. В течение долгого времени в центре русского войска творилась настоящая мясорубка. В какой-то момент московского князя и вовсе потеряли из виду. Не добавляло оптимизма и то, что фейковый князь Михаил Бренок оказался зарублен, а княжеское знамя – сброшено. В бой был введён уже и Запасной полк. На правом же фланге Ольгердовичи смогли отбиться от татарской конницы, но не рисковали идти в атаку, пытаясь помочь центру. А вот полк Левой руки оказался фактически уничтожен, конница врага начала поджимать отступающих к реке. Согласно легенде, стоявший в засаде Владимир Храбрый постоянно рвался в бой, но Боброк-Волынский держал Засадный полк без дела как можно дольше, чтобы войска Мамая на левом фланге начали заходить в тыл русским. Стальные нервы сделали своё дело – как только татарская конница начала поворачиваться спиной к лесной чаще, оттуда ударил Засадный полк. Параллельно полк Правой руки тоже начал теснить ордынцев. Сверху бы это напомнило водоворот, в который затянуло войска Мамая.
Ещё какое-то время Мамай пытался что-то сделать с кашей-малой в центре сражения, но его войска обратились в паническое бегство. Часть татар не слишком удачно попыталась переправиться через Непрядву, другие разбежались кто куда. Мамай с небольшим отрядом бежал на юг. Его политической карьере настал конец. Вскоре его сторонников разбили, а самого темника закололи в Крыму всё те же генуэзцы, которым теперь заплатил Тохтамыш. Дмитрия Ивановича же смогли отыскать на поле боя израненным под деревом; по легенде, его туда перенёс другой монах-воин Ослябя. Ягайло, узнав о поражении Мамая, развернул войска. Гипотетически он мог бы разгромить ослабленного московского князя, но решил приберечь силы для будущих схваток.