Mongolska dominacja na Rusi zaczęła się rozpadać podczas trzydziestoletniego panowania Dymitra. Złota Horda została poważnie osłabiona przez wojnę domową i rywalizację dynastyczną. Dymitr wykorzystał ten zastój w mongolskim autorytecie i otwarcie rzucił wyzwanie Tatarom. Zachował patent chana na zbieranie podatków dla całej Rusi, ale zasłynął również jako przywódca pierwszego rosyjskiego zwycięstwa militarnego nad Mongołami. Mamai, mongolski generał i pretendent do tronu, próbował ukarać Dymitra za próbę zwiększenia swojej władzy. W 1378 r. Mamai wysłał armię mongolską, ale została ona pokonana przez siły Dymitra w bitwie nad rzeką Vozha.
Dwa lata później Mamai osobiście poprowadził duże siły przeciwko Moskwie. Sergiusz z Radoneża pobłogosławił Dymitra Dońskiego, gdy ten wyruszył do walki z Tatarami w sygnalizowanej bitwie na polu Kulikowo, ale dopiero wtedy, gdy był pewien, że Dymitr wykorzystał wszystkie pokojowe sposoby rozwiązania konfliktu. Sergiusz wysłał dwóch wojowniczych mnichów Aleksandra Peresveta i jego przyjaciela Rodiona Oslyabya, aby przyłączyli się do wojsk rosyjskich. Bitwa pod Kulikowem rozpoczęła się pojedynkiem dwóch mistrzów. Rosyjskim mistrzem był Aleksander Pereswet. Mistrzem Hordy był Temir-murza. Mistrzowie zabili się nawzajem w pierwszym biegu. Dymitr następnie spotkał się z pokonaną Hordą. W podzięce za zwycięstwo, Dymitr założył klasztor Zaśnięcia na rzece Dubenka i zbudował kościół na cześć Narodzenia Świętej Theotokos nad grobami poległych wojowników.
Pokonany Mamai został obecnie zdetronizowany przez rywala mongolskiego generała, Tokhtamysh. Ten chan ponownie utwierdził mongolskie rządy na Rusi i opanował Moskwę w 1382 r. za opór Dymitra wobec Mamaja. Dymitr jednak zobowiązał się do lojalności wobec Tochtamysza i Złotej Ordy i został przywrócony na stanowisko głównego mongolskiego poborcy podatkowego i wielkiego księcia Włodzimierza. Po swojej śmierci w Moskwie w 1389 r. Dymitr był pierwszym wielkim księciem, który przekazał swoje tytuły synowi Wasilijowi I bez konsultacji z chanem.