De overheersing van de Mongolen over Roes begon af te brokkelen tijdens Dmitry’s dertig jaar durende bewind. De Gouden Horde was ernstig verzwakt door burgeroorlogen en dynastieke rivaliteiten. Dmitri maakte van deze verzwakking van het Mongoolse gezag gebruik om de Tataren openlijk uit te dagen. Hoewel hij het octrooi van de Khan om belastingen te innen voor geheel Rusland behield, is Dmitry ook beroemd geworden door het aanvoeren van de eerste Russische militaire overwinning op de Mongolen. Mamai, een Mongoolse generaal en troonopvolger, probeerde Dmitry te straffen voor zijn pogingen om zijn macht te vergroten. In 1378 stuurde Mamai een Mongools leger, maar dat werd door Dmitry’s troepen verslagen in de Slag bij de Vozha-rivier.
Twee jaar later leidde Mamai persoonlijk een grote troepenmacht tegen Moskou. Sergius van Radonezj zegende Dmitri Donskoj toen deze de strijd aanbond met de Tataren in de beslissende Slag op het Kulikovo-veld, maar pas nadat hij er zeker van was dat Dmitri alle vreedzame middelen had aangewend om het conflict op te lossen. Sergius stuurde de twee krijgsmonniken Alexander Peresvet en zijn vriend Rodion Oslyabya om zich bij de Russische troepen te voegen. De slag bij Kulikovo werd geopend met een enkel gevecht tussen twee kampioenen. De Russische kampioen was Alexander Peresvet. De kampioen van de Horde was Temir-murza. De kampioenen doodden elkaar in de eerste run. Dmitry versloeg vervolgens de Horde. Uit dankbaarheid voor de overwinning stichtte Dmitry het Dormition klooster aan de Dubenka rivier en bouwde een kerk ter ere van de Geboorte van de Heilige Theotokos boven de graven van de gevallen krijgers.
De verslagen Mamai werd vervolgens onttroond door een rivaliserende Mongoolse generaal, Tokhtamysh. Die khan liet de Mongoolse heerschappij over Roes opnieuw gelden en overviel Moskou in 1382 wegens Dmitry’s verzet tegen Mamai. Dmitri beloofde echter zijn trouw aan Tochetamysj en aan de Gouden Horde en werd opnieuw aangesteld als hoofdbelastingontvanger van de Mongolen en groothertog van Vladimir. Bij zijn dood in Moskou in 1389 was Dmitrii de eerste groothertog die zijn titels aan zijn zoon Vasili I van Rusland naliet zonder de Khan te raadplegen.