Объехав полки, Дмитрий Донской подскакал к тому месту, где в большом полку червонел великокняжеский стяг. Здесь он поменялся с ближним боярином Михаилом Бренком убором московского государя. Тому предстояло стоять под стягом, чтобы со всех сторон русские воины видели своего полководца под знаменем. Сам великий князь надел простые доспехи и встал в первые ряды русской рати. Это было его исконное право и княжеская обязанность. Отговорить Дмитрия Ивановичи князья и бояре не смогли — он пошел туда, где была наибольшая опасность.
Русский летописец в следующих выразительных словах рисует картину двух воинств, застывших по краям Куликова поля: «Татарьскаа бяше сила видети мрачна потемнена, а Русская сила видети в светлых доспехах, аки некаа великаа река лиющися, или море колеблющеся, и солнцу светло сияющу на них и лучя испущающи, и аки светилницы издалече зряхуся».
В другом летописном описании русской рати на поле Куликовом к этому добавлено: «Шеломы же на головах их, аки утренняя заря, доспехи же, аки вода силно колеблюща, еловицы же шеломов их, аки пламя огненное пышуще».
Ордынское конное войско появилось на горизонте примерно в 10 часов утра. Сторожевой полк не позволил неприятельской разведке обозреть боевые порядки русских. Мамай, разбивший свой шатер на вершине, Красного холма, с удивлением и тревогой осматривал видневшиеся вдали полки московской рати. Такой встречи от данников Золотой Орды он явно не ожидал.
Мамай, как полководец, увидел неудобство поля битвы для его многотысячной конницы, которая заполонила собой все пространство вокруг Красного холма. Ей было просто не развернуться на Куликовом поле, а пеших воинов у Мамая имелось слишком мало — только тяжеловооруженные наемники из итальянских колоний на берегах Азовского и Черного морей, умевшие наступать фалангой. Тогда правитель Золотой Орлы приказал спешить часть своей конницы.
Великий князь во главе русских полков поставил военачальников, которые уже не раз отличались на поле брани; он мог положиться на них в предстоящей битве. Историк Н. М. Карамзин называет военачальников московского государя: «В средине находились Князья Литовские, Андрей и Дмитрий Ольгердовичи, Федор Романович Белозерский и Боярин Николай Васильевич; в собственном же полку Великокняжеском Бояре Иоанн Родионович Квашня, Михаил Бренок, Князь Иоанн Васильевич Смоленский; на правом крыле Князь Андрей Феодорович Ростовский, Князь Стародубский того же имени и Боярин Федор Грунка; на левом Князь Василий Васильевич Ярославский, Феодор Михайлович Моложский и Боярин Лев Морозов; в Сторожевом полку Боярин Михаил Иоаннович, внук Акинфов, Князь Симеон Константинович Оболенский, брат его Князь Иоанн Торусский и Андрей Серкиз; а в засаде Князь Владимир Андреевич, внук Калитин, Дмитрий Михайлович Волынский, победитель Олега и Болгаров, муж славный доблестию и разумом, — Роман Михайлович Брянский, Василий Михайлович Кашинский и сын Романа Новосильского».
Мамай выстроил золотоордынское войско следующим боевым порядком. Впереди шла лёгкая конница лучников. В центре — пехота, состоявшая из наемников-итальянцев и спешенных всадников. На флангах наступала тяжеловооруженная конница, которой ставилась задача прорваться в тыл русским. Войска составляли две линии, кроме того, у подножия Красного холма расположился сильный конный резерв.
Сражение началось около 12 часов дня поединком русского воина инока Пересвета и ордынского богатыря Челубея. Два конника сошлись на копьях и оба погибли.
После этого ордынская легкая конница атаковала сторожевой конный полк русских. В той первой схватке принял участие и Дмитрий Донской, после чего он отъехал назад к главным силам. Масса конных татарских лучников встретила упорное сопротивление закованных в броню княжеских дружинников и долго не могла заставить их отойти назад.
После этого ордынское войско начало атаку по всей ширине Куликова поля. Сторожевому полку пришлось отойти к передовому, но и тот не выдержал натиска превосходящих числом сил врага. Затем в дело вступил большой полк. Ожесточенная битва шла в течение двух часов, распавшись на отдельные единоборства, когда каждый, по словам летописи, «своего супротивника искааше победите».
Мамай все же нашел способ прорваться в тыл русской позиции. На ее левом фланге перед дубравой шла довольно широкая лощина, ровное дно которой позволяло тяжеловооруженным ханским всадникам набрать таранную скорость. Мамай и бросил сюда резервную конницу. Она прорвала позиции русского полка левой руки и оказалась между Доном и тылом сражавшегося большого полка. Ордынцев остановил русский резерв, сразу же вступивший в бой.
Из боевого порядка русской рати под натиском превосходящих сил Мамаева войска выстоял только полк правой руки, который в сражении так и не подался назад. Здесь воеводам даже пришлось сдерживать ратников, чтобы они не шли вперед, поскольку возникала опасность оторваться от большого полка, ибо, как говорится в летописи, «вся сила татарская паде на средину и лежи, хотяху разорвати».
Древнейшие источники сообщают о самом течении Куликовской битвы до обидного мало. За исключением начала сечи, «известны только два момента, — пишет историк Д. И. Иловайский, — поражение русского войска и победоносный удар засадного полка. По тем же источникам битва длилась не менее трех часов. Сколько же должно было совершиться разных оборотов дела, различных движений и усилий с той и другой стороны в течение этих трех часов! Едва ли дело было так просто, что вся масса Русской рати одновременно обратилась в бегство, а затем явился один засадный полк и мгновенно перевернул все в обратную сторону?»