La dominazione mongola della Rus’ cominciò a sgretolarsi durante i trent’anni di regno di Dmitry. L’Orda d’Oro fu gravemente indebolita dalla guerra civile e dalle rivalità dinastiche. Dmitrij approfittò di questo crollo dell’autorità mongola per sfidare apertamente i tartari. Pur mantenendo il brevetto del khan per raccogliere le tasse per tutta la Russia, Dmitrij è anche famoso per aver condotto la prima vittoria militare russa sui mongoli. Mamai, un generale mongolo e pretendente al trono, cercò di punire Dmitrij per aver tentato di aumentare il suo potere. Nel 1378 Mamai inviò un esercito mongolo, ma fu sconfitto dalle forze di Dmitrij nella battaglia del fiume Vozha.
Due anni dopo Mamai guidò personalmente una grande forza contro Mosca. Sergio di Radonezh benedisse Dmitrij Donskoy quando andò a combattere i tartari nella battaglia di Kulikovo, ma solo dopo aver avuto la certezza che Dmitrij aveva seguito tutti i mezzi pacifici per risolvere il conflitto. Sergio inviò i due monaci guerrieri Alexander Peresvet e il suo amico Rodion Oslyabya ad unirsi alle truppe russe. La battaglia di Kulikovo fu aperta da un combattimento singolo tra due campioni. Il campione russo era Alexander Peresvet. Il campione dell’Orda era Temir-murza. I campioni si uccisero a vicenda nella prima corsa. Dmitry ha poi incontrato sconfitto l’Orda. In segno di gratitudine per la vittoria, Dmitrij fondò il monastero della Dormizione sul fiume Dubenka e costruì una chiesa in onore della Natività della Santa Theotokos sulle tombe dei guerrieri caduti.
Lo sconfitto Mamai fu subito detronizzato da un generale mongolo rivale, Tokhtamysh. Questo khan riaffermò il dominio mongolo della Rus’ e invase Mosca nel 1382 per la resistenza di Dmitrij a Mamai. Dmitrij, tuttavia, promise la sua fedeltà a Tokhtamysh e all’Orda d’Oro e fu reintegrato come principale esattore mongolo e granduca di Vladimir. Alla sua morte a Mosca nel 1389, Dmitrij fu il primo granduca a lasciare in eredità i suoi titoli a suo figlio Vasili I di Russia senza consultare il khan.