A Rusz feletti mongol uralom Dmitrij harmincéves uralkodása alatt kezdett omladozni. Az Aranyhordát súlyosan meggyengítették a polgárháborúk és a dinasztikus rivalizálások. Dmitrij kihasználta a mongol hatalom e gyengülését, és nyíltan kihívta a tatárokat. Miközben megtartotta a kán szabadalmát, hogy egész Oroszország számára adót szedjen, Dmitrij arról is híres, hogy ő vezette az első orosz katonai győzelmet a mongolok felett. Mamai, egy mongol hadvezér és trónkövetelő megpróbálta megbüntetni Dmitryt, amiért megpróbálta növelni a hatalmát. 1378-ban Mamai mongol sereget küldött, de azt Dmitrij seregei legyőzték a Vozha folyónál vívott csatában.
Két évvel később Mamai személyesen vezetett nagy erőket Moszkva ellen. Radonyezsi Szergej megáldotta Dmitrij Donszkojt, amikor a tatárok ellen indult a Kulikovo mezőn vívott jeles csatában, de csak miután megbizonyosodott róla, hogy Dmitrij minden békés eszközt megragadott a konfliktus megoldására. Szergej elküldte a két harcos szerzetest, Alekszandr Pereszvet és barátját, Rodion Oszljabját, hogy csatlakozzanak az orosz csapatokhoz. A kulikovói csatát két bajnok egyéni harca nyitotta meg. Az orosz bajnok Alekszandr Peresvet volt. A horda bajnoka Temir-murza volt. A bajnokok első nekifutásra megölték egymást. Dmitrij ezután találkozott legyőzte a Horda. Hálából a győzelemért Dmitrij a Dubenka folyónál megalapította a Dormition kolostort, és az elesett harcosok sírjai fölött templomot épített a Szűzanya születésének tiszteletére.
A legyőzött Mamai-t egy rivális mongol hadvezér, Tokhtamysh jelenleg trónfosztott. Ez a kán újra megerősítette a mongol uralmat Rusz felett, és 1382-ben lerohanta Moszkvát, amiért Dmitrij ellenállt Mamainak. Dmitrij azonban hűséget fogadott Tokhtamyshnak és az Aranyhordának, és visszahelyezték mongol főadószedőnek és Vlagyimir nagyhercegének. 1389-ben Moszkvában bekövetkezett halálakor Dmitrij volt az első nagyherceg, aki a kánnal való konzultáció nélkül hagyta címeit fiára, I. Vaszilij oroszországi nagyhercegre.