El dominio mongol de la Rus comenzó a desmoronarse durante los treinta años de reinado de Dmitry. La Horda de Oro estaba muy debilitada por la guerra civil y las rivalidades dinásticas. Dimitri aprovechó este lapso de autoridad mongola para desafiar abiertamente a los tártaros. Aunque mantuvo la patente del Khan para recaudar impuestos para toda Rusia, Dimitri también es famoso por liderar la primera victoria militar rusa sobre los mongoles. Mamai, un general mongol y aspirante al trono, intentó castigar a Dimitri por intentar aumentar su poder. En 1378 Mamai envió un ejército mongol, pero fue derrotado por las fuerzas de Dimitri en la batalla del río Vozha.
Dos años después Mamai dirigió personalmente una gran fuerza contra Moscú. Sergio de Radonezh bendijo a Dimitri Donskoy cuando fue a luchar contra los tártaros en la señalada batalla del campo de Kulikovo, pero sólo después de estar seguro de que Dimitri había buscado todos los medios pacíficos para resolver el conflicto. Sergio envió a los dos monjes guerreros Alexander Peresvet y a su amigo Rodion Oslyabya a unirse a las tropas rusas. La batalla de Kulikovo se inició con un combate individual entre dos campeones. El campeón ruso era Alexander Peresvet. El campeón de la Horda era Temir-murza. Los campeones se mataron mutuamente en la primera carrera. Dmitry entonces se reunió derrotó a la Horda. En agradecimiento por la victoria, Dimitri estableció el monasterio de la Dormición en el río Dubenka y construyó una iglesia en honor a la Natividad de la Santa Theotokos sobre las tumbas de los guerreros caídos.
El derrotado Mamai fue destronado en ese momento por un general mongol rival, Tokhtamysh. Ese kan reafirmó el dominio mongol de la Rus y tomó Moscú en 1382 por la resistencia de Dimitri a Mamai. Sin embargo, Dimitri prometió su lealtad a Tokhtamysh y a la Horda de Oro y fue restituido como principal recaudador de impuestos mongoles y Gran Duque de Vladimir. A su muerte en Moscú en 1389, Dimitri fue el primer Gran Duque que legó sus títulos a su hijo Vasili I de Rusia sin consultar al Khan.