Die mongolische Herrschaft über die Rus begann während Dmitrijs dreißigjähriger Regierungszeit zu bröckeln. Die Goldene Horde war durch Bürgerkrieg und dynastische Rivalitäten stark geschwächt. Dmitri nutzte diese Schwächung der mongolischen Autorität, um die Tataren offen herauszufordern. Er behielt das Patent des Khans, Steuern für ganz Russland zu erheben, und ist auch dafür bekannt, dass er den ersten russischen militärischen Sieg über die Mongolen errang. Mamai, ein mongolischer General und Thronanwärter, versuchte, Dmitri zu bestrafen, weil er versuchte, seine Macht zu vergrößern. Im Jahr 1378 schickte Mamai ein mongolisches Heer, das jedoch von Dmitrijs Truppen in der Schlacht am Fluss Vozha besiegt wurde.
Zwei Jahre später führte Mamai persönlich eine große Streitmacht gegen Moskau. Sergius von Radonesch segnete Dmitrij Donskoj, als dieser in der Signalschlacht auf dem Kulikowo-Feld gegen die Tataren kämpfte, aber erst, nachdem er sich vergewissert hatte, dass Dmitrij alle friedlichen Mittel zur Lösung des Konflikts ausgeschöpft hatte. Sergius schickte die beiden kriegerischen Mönche Alexander Peresvet und seinen Freund Rodion Oslyabya zu den russischen Truppen. Die Schlacht von Kulikowo wurde durch einen Einzelkampf zwischen zwei Kämpfern eröffnet. Der russische Sieger war Alexander Peresvet. Der Champion der Horde war Temir-murza. Die Champions töteten sich gegenseitig im ersten Durchgang. Danach besiegte Dmitri die Horde. Aus Dankbarkeit für den Sieg gründete Dmitri das Dormition-Kloster am Fluss Dubenka und baute über den Gräbern der gefallenen Krieger eine Kirche zu Ehren der Geburt der Heiligen Theotokos.
Der besiegte Mamai wurde kurz darauf von einem rivalisierenden Mongolengeneral, Tokhtamysh, entthront. Dieser Khan setzte die mongolische Herrschaft in der Rus wieder durch und überrannte 1382 Moskau wegen Dmitrijs Widerstand gegen Mamai. Dmitri schwor jedoch Tokhtamysh und der Goldenen Horde seine Loyalität und wurde als mongolischer Hauptsteuereinnehmer und Großfürst von Wladimir wieder eingesetzt. Nach seinem Tod 1389 in Moskau war Dmitri der erste Großfürst, der seine Titel ohne Rücksprache mit dem Khan an seinen Sohn Wassili I. von Russland vererbte.