O domínio mongol de Rus começou a desmoronar-se durante os trinta anos de reinado de Dmitry. A Horda Dourada foi severamente enfraquecida pela guerra civil e rivalidades dinásticas. Dmitry tirou vantagem deste lapso na autoridade mongol para desafiar abertamente os Tatares. Enquanto ele manteve a patente do Khan para coletar impostos para toda a Rússia, Dmitry é também famoso por liderar a primeira vitória militar russa sobre os mongóis. Mamai, um general mongol e reivindicador do trono, tentou punir Dmitry por tentar aumentar o seu poder. Em 1378 Mamai enviou um exército mongol, mas foi derrotado pelas forças de Dmitry na Batalha do Rio Vozha.
Dois anos depois Mamai liderou pessoalmente uma grande força contra Moscou. Sergius de Radonezh abençoou Dmitry Donskoy quando ele foi lutar contra os Tatars no sinal da Batalha de Kulikovo, mas só depois de ter a certeza de que Dmitry tinha procurado todos os meios pacíficos para resolver o conflito. Sergius enviou os dois monges guerreiros Alexander Peresvet e o seu amigo Rodion Oslyabya para se juntarem às tropas russas. A batalha de Kulikovo foi aberta por um único combate entre dois campeões. O campeão russo era Alexander Peresvet. O campeão da Horda foi Temir-murza. Os campeões mataram-se um ao outro na primeira corrida. Dmitry derrotou então a Horda. Em agradecimento pela vitória, Dmitry estabeleceu o mosteiro Dormition no rio Dubenka e construiu uma igreja em honra da Natividade do Santo Theotokos sobre os túmulos dos guerreiros caídos.
O Mamai derrotado foi destronado por um general mongol rival, Tokhtamysh. Aquele khan reafirmou o domínio mongol de Rus e ultrapassou Moscovo em 1382 pela resistência de Dmitry ao Mamai. Dmitry, entretanto, prometeu sua lealdade a Tokhtamysh e à Horda de Ouro e foi reintegrado como principal coletor de impostos mongol e Grão-Duque de Vladimir. Após sua morte em Moscou em 1389, Dmitry foi o primeiro Grão-Duque a legar seus títulos a seu filho Vasili I da Rússia sem consultar o Khan.