Главный бой завязался в центре. Фланги русских полков прикрывались ручьями р. Нижнего Дубняка и Смолки, и татарская конница не могла атаковать их фланги. После трех часов боя татары начали делать прорыв в центре большого полка; затем повели атаку на полк левой руки, где была введена в бой конница татар. «И ту пешая русская великая рать аки древесе, сломишася и аки сено посечено лежаще, и бе видение страшное зело, и начаша татарове одолевати». Полк левой руки стал медленно отходить к р. Непрядве, обнажая левый фланг большого полка. На поддержку левого фланга большого полка выступила резервная дружина князя Димитрия Ольгердовича и задержала натиск татар: «И уже осьмому часу исшедше и бе девятому настанше и всюду татарове одолеваше». «Погании же заидоша всюду, христианские же оскудеша; уже мало христиан, но все поганки». В это время Владимир Андреевич, бывший при засадном полку, говорил Боброку: «Что уже убо брате ползует стояние наше и кий успех от нас им есть? Кому убо нам помощи, уже убо все полки мертви лежаху христианские». Боброк отвечал, что время для выступления еще не приспело, и к тому же ветер дул в лицо русских. Войскам же Боброк говорил: «Никакоже, нактоже да не выйдет на брань – ибо возбраняет Бог». «И уже девятому часу исходяще и се внезапу потяну ветер позади их. Тогда Димитрий Боброк рече князю Володимеру Андреевичу: «Господине княже, час приспе, время приближися, а так же воинству рече: господе, отцы и братие и чада и друзи, подвизайтися, время нам благо прииде сила бо духа святого помогает нам». Весь засадный полк «изыдоша с яростью и ревностью на врага». Конница засадного полка неожиданно атаковала в тыл татарские полки, теснившие главные силы русских к Непрядве. Атакованные с тыла татары искали спасение в переправе р. Непрядвы, но, поражаемые русскими, тонули в реке. «И трупия же мертвых оба пол р. Непрядвы, идеже была непроходна, спречь глубока, наполнены трупу поганих». В наступление перешел полк правой руки Димитрия Ольгердовича, и остатки большого полка докончили поражение татар. Татары в беспорядке бросились к Красному Холму, и «побеже Мамай с князи своими в мале дружине». Остатки татарского войска, бросив лагерь, бежали в южном направлении.

Русская рать преследовала татар, гоня их до р. Меча, и «княжи полцы гнашася за татары и до станов их и пополниша богатства и имения многи. Князь Ягайло со своимю силою побежа назад с великой скоростью никоим же гоним, не видеща бо тогда великого князя, ни рати его, ни оружия его, то токмо имени его бояхуся и трепещаху». Князь рязанский Олег, тоже воздержавшийся от выступления, узнав о победе русских, «отбежа от града своего Рязани и побежа к Ягайло, князю литовскому и придя на рубеж литовский и ту ста и рече своим боярам: аз хочу зде ждати вести, как князь великий пойдет мою землю и придет в свою отчину, и аз тогда возвращуся во своиси».

По сведениям русских летописцев, русская рать понесла потери в Куликовском сражении 100 000 человек, – цифры эти преувеличены, в действительности потери не превосходили 25–30 тысяч. Восемь дней русские воины собирали и погребали тела убитых, после чего рать через Коломну возвратилась в Москву. Войска литовских князей и казачьи ушли в свои пределы. Победа над татарами нисколько не изменила положения Москвы в отношении монгол и была достигнута дорогой ценой: в сражении погибла большая часть князей, воевод и войска. По словам летописца, «оскуде бо отюдь вся земля русская воеводами и слугами и всеми воинствы и о сем великий страх бысть по всей земле русской». Москва была настолько бессильна, что для дальнейшего отпора нашествия татар у нее не было сил. Мамай же после понесенного поражения не думал оставлять московского князя в покое и начал снова собирать войска для похода на Москву. Летописец сообщает: «Мамай собра остаточную силу свою и восхоте ити изгоном на великого князя Димитрия Ивановича, и на всю русскую землю, еще бо силу многу собра…» После оказанной помощи литовскими князьями московскому князю в Куликовском сражении и ухода их восвояси Москва была оставлена против монгол в одиночестве, и надежды на их помощь были бесполезны. Литва по-прежнему продолжала политику объединения русских земель под властью своих князей и не оставляла цели поглощения Москвы и уничтожения Золотой Орды.