关于库利科沃战役的参战人数，长期以来一直有着不同的说法。中世纪的文献记载，德米特里大公集结了罗斯历史上前所未有的10万大军，迎战马迈麾下的15—20万鞑靼军。但这个数字恐怕太过夸张，毕竟当时任何一个西欧国家都无力支持这样一支庞大的军队在战场上作战，哪怕一个世纪后版图得到极大扩张的莫斯科大公国也不过动员起10万军队；而且，宽度只有5公里的库利科沃原野根本不能使双方如此庞大的军队全部展开。因此，当代研究者认为，库利科沃战场上的罗斯军队人数应该在3.6万人左右（以中世纪的标准而言仍是一支庞大的力量），而鞑靼军也不可能有15万人。
但有一点是确定无疑的，马迈军队的人数大大超过罗斯军。因此，德米特里不得不选择先防御后进攻的战术。他计划先牵制住对方的兵力，待其精疲力竭时，以设伏部队实施决定性突击，从而赢得胜利。为此，他将全部罗斯步兵排成纵深的链条状，以便每个未经沙场的战士都能感受到自己背后的同胞；至于罗斯骑兵，由于仍旧无法与数量上占有优势的马迈骑兵抗衡，因此被作为伏兵使用。
为了充分利用“地利”优势，德米特里特地对罗斯军队的阵型进行了精心布置，他将军队分成5个部分：战列中央是主力部队大团，延绵5俄里；两翼是左团、右团，战线一直延伸到蒙古骑兵难以接近的茂密丛林；主力之前则配有警戒团和先遣团。警戒团的任务是与蒙古军先行接战；而由莫斯科亲兵组成的先遣团的任务，则是抵御蒙古军的首次突击，并打乱其战斗队形。
此外，德米特里还抽调精骑组建了一个伏击团，由经验丰富的老将德米特里·布罗克-沃伦斯基和表兄弗拉基米尔·安德烈耶维奇统率。该部担任总预备队，隐蔽在主力左翼侧后靠近顿河渡口的绿色丛林中。这使罗斯军队的战斗队形既可以保障军队抗击正面和侧翼的突击，又能不断增强纵深的突击力量，使队形各部分之间便于协同作战。一旦战斗爆发，这种布阵不仅能使鞑靼人无法从两侧迂回包围罗斯军队（由于数量上的优势，两侧迂回包抄对鞑靼人有利），还能让鞑靼人既不能前进也不能曲折绕行，“因为没有地方”。
至于军队的最后方，则是负责罗斯军队给养和作战物资的辎重队。罗斯人在行军作战期间，一般随身携带着粮食，如黑麦、燕麦粉、干鱼、火腿、洋葱头等。一旦军队的给养即将耗尽又无法补充，就会只供应部分军队的给养，而将其余军队解散，以减少消耗。但在库利科沃之战前，德米特里大公意识到后勤的重要性，亲自督促粮食的筹集，命令司库和中央的宫廷经济总管为军队供应充足的粮食。因此，罗斯的辎重车里装满了军队作战需要的粮食，解除了后顾之忧。
一切部署完毕后，德米特里脱下大公甲胄，交给了自少年时期就是朋友的贵族青年米哈伊尔·安德里耶维奇·布林克，并让他站到大公旗帜下。按照当时的看法，只要旗帜在飘扬，谁都不会离开队伍，因此交战的每一方都会高举自己的旗帜，并打倒或夺下对方的旗帜，军队指挥官通常直接站在旗下。但莫斯科大公放弃了这个传统做法，他换上普通军人的服装，跨上一匹战马来到步兵阵地，下令全体士兵战斗到最后，即使军旗丢了，也不能停止攻击。大公不吝惜自己生命的样子自然鼓舞了罗斯士兵。
总的来说，罗斯军队的布阵虽然稳妥，却也将战役的主动权拱手让给了鞑靼人。如果对手是成吉思汗时代的哲别或是速不台，面对罗斯军队这种防御阵型，绝对不会选择强攻。在13世纪的战争史上，蒙古军并不热衷“杀敌一万，自损八千”的决战。所谓“兵者，诡道也”，正如《马可·波罗游记》里记载的那样，蒙古军喜用诈术，“敌人见其奔逃而自以为获胜时，实不自知为败亡之征，而鞑靼将乘势回击也。其实用此法取胜之例不少”。因此，倘若马迈按兵不动，等待立陶宛人到来，腹背受敌的罗斯人将必败无疑：立陶宛大公雅盖洛·奥尔格尔多维奇正率军日夜兼程向库利科沃赶来，距离战场只有两天的路程。
可惜，刚愎自用的马迈没考虑这么多。当初他一怒之下不顾国力动员了大军，结果得知莫斯科大公国拼命抵抗后，作战信心就发生了动摇，致使汗国的大军在1380年夏初渡过伏尔加河后逡巡不前，放过了进攻尚未集结完毕的罗斯大军的战机。随后，他又遣使告诉莫斯科大公国，只要恢复半个世纪前（金帐汗国鼎盛时期）缴纳贡赋的惯例，便可罢兵，但被德米特里拒绝。进退维谷之际，马迈得知罗斯军队已经逼近，只得仓促率军于1380年9月8日赶到库利科沃平原。正午时分，浓雾散去，出现在马迈面前的是正严阵以待的罗斯军队。
与罗斯军队一样，库利科沃战场上的蒙古—鞑靼军队同样分为5个部分：先遣支队（轻骑兵）、中军（步兵）以及强大的左、右侧军（由重骑兵组成，分两列横队展开，各自有自己的先遣支队）和预备队。在这支“多国部队”的中央，是募集来的以热那亚人为主的雇佣步兵。士兵们身着深色长衣、黑色头盔，手持长矛，长矛搭在肩上，矛头朝前。当连成一片的长矛之林徐徐向前推进时，不由得使人联想起亚历山大大帝那支无坚不摧的“马其顿方阵”。雇佣步兵组成的方阵人数虽多，但马迈的王牌仍是位于战线两翼，灵活机动，带着弯刀、弓箭的鞑靼骑兵。
令人费解的是，兵力占优的马迈不愿采用毫无风险的获胜方式：从远处用箭齐射罗斯兵团。虽然因为罗斯军很大程度蒙古化了，但蒙古—鞑靼人在赖以称雄的骑射方面仍旧占有巨大优势。在世界其他地方广泛使用的全木一体弓虽然制作简单，却不适合亚洲内陆的游牧民族。原因在于，在广阔的草原上很难获得优质木材。被欧洲人认为是制作英格兰长弓的最好材料——紫衫，在西伯利亚并不生长。所以，公元前3000年的草原工匠一直在试验用其他材料加强弓。大约在公元前2000年，完善的复合弓率先出现在贝加尔湖地区。制造这种复合弓虽然很费时间，但它不仅仅是一种木制一体弓的单纯替代物。实际上，鞑靼人使用的蒙古式复合弓由弓背上的一条动物筋、弓肚上的一层角质物和中间的一个木架组成，弓上涂有防水油漆，因此是一种不受降雨影响的“全天候武器”，它的射程高达350码，比在英法百年战争中扬名的英格兰长弓还要远100码！长弓的力量主要依靠箭头的重量，蒙古式复合弓的威力则主要依靠箭头的速度，而且体型比长弓短小，因此适合在马背上使用。直到15世纪初期，生活在伏尔加河附近的鞑靼游牧民，其歌谣里还有这样的歌词：“吾之弓绷紧又有弹性，吾试引吾弓。吾有一钢箭，涂有色彩，箭翎乃乌鸦之羽。”
蒙古人与敌军遭遇时，一般会先登上制高点观察地形地貌，尔后抵近侦察敌情，以期找出破绽。如果敌军如同库利科沃战场上的罗斯军队一样摆出严整的阵型，那么佯攻的蒙古轻骑兵会一队接一队地做冲击状以吸引敌人的注意，为主力部队合围争取时间。当包围圈完成时，最后到位的马队将发射鸣镝以为信号，所有蒙古骑兵得信后，瞬间从四面八方同时向敌阵发起齐射，将敌军淹没在箭雨之下。在这个过程中，如果敌军企图以骑兵出击来驱逐蒙古射手，那么后方的蒙古重骑兵会立即越众而出进行掩护迎击。
然而，希望迅速获胜的马迈直接发起了进攻！
大约中午12点，史诗般的库利科沃大战开始了。
按照当时欧洲作战的惯例，双方相距一箭之地时，会各派一名勇士进行单挑。单人匹马的奋战虽然无法决定战局的走向，却可以鼓舞士气。罗斯的勇士，一名东正教修道士亚历山大·佩列斯韦特向金帐汗国的勇士帖木儿-木儿咱（Temir-murza）挑战。德米特里为佩列斯韦特整理铠甲，赏他酒喝，然后扶他上马。双方勇士纵马疾驰，仅过了一个回合，佩列斯韦特就用长矛将对手挑于马下，但罗斯军队的欢呼声尚未响起，人们就发现佩列斯韦特也倒在了马鞍上。两位勇士同归于尽，预示这场战役将十分惨烈。
战斗打响后，马迈的鞑靼大军开始进攻罗斯的先锋团。“鞑靼军从高地冲下，却立即停在那里，因为已经无处可进了。”虽然罗斯的步兵部队毫不畏惧同鞑靼人厮杀，但鞑靼人在数量上占有明显优势，不久，罗斯的警戒团和先锋团几乎全部被屠。光荣的罗斯战士英勇地牺牲了。接着，鞑靼人开始猛攻罗斯大团，并冲入大团中间，打败了莫斯科亲兵队。之后，骇人的肉搏战开始了。史籍这样描述此次战斗：“镀金的头盔叮当作响，深红色的盾咚咚地响。宝剑呼啸，锐利的军刀在好汉们的头旁闪烁，勇士的鲜血沿着包铁皮的马鞍流下，锻金的头盔在马蹄旁滚动。”
突破罗斯大团的中心部分之后，鞑靼人冲向大公旗帜处，奋力将旗帜砍碎。身披大公盔甲的米哈伊尔·安德里耶维奇·布林克被当场杀死，而身披列兵盔甲的德米特里大公也不幸负伤。但是不久之后，弗拉基米尔、苏兹达尔、布良斯克亲兵队投入了战斗，迫使鞑靼人后退，使局势得到控制。罗斯大团终于顶住了敌人的进攻。
随后，马迈把攻击重点转向罗斯左翼。鞑靼人如巨浪般地急速冲向左翼，其意图很明显，要从左翼包抄罗斯军并切断其与后方“生命线”——顿河渡口之间的联系。战斗异常激烈，“横尸遍野，以致战马无法从尸体上踏过，（罗斯士兵）有的死于己方误杀，有的则被马蹄踩死。许多士兵汇在一起，挤得连气都喘不过来，顿河与密察河之间的库利科沃原野容纳不下（这许多士兵）了。”
罗斯军队的右翼成了军阵最稳固的地方，纵横交错的沟壑阻碍了鞑靼骑兵的行动，他们击溃了敌人的所有进攻。但是指挥右团的安德烈·奥尔格尔多维奇并不敢贸然出援大团：如果出援大团，右团将失去有利地形，那他们将和大团一起被对方歼灭。与此同时，金帐汗国的部队对罗斯军队左翼的进攻丝毫没有减弱。罗斯军左翼大部分士兵已经牺牲，只剩一部分在坚守阵地。虽然罗斯军队的局部预备队在这里投入战斗，迟滞了马迈的进攻，但未能抵抗住敌人强大的冲击。下午3点，金帐汗国的骑兵队摧毁了罗斯军队的左翼防线后，开始冲向大团的后方。被打败的罗斯左团，开始退向涅普里亚德瓦河。
此刻，鞑靼军胜利的欢呼声和哨声已经在原野上响起，马迈得意扬扬地率领手下的5位王公登上了鞑靼军战线后方的高岗，准备欣赏“刹那间人血横流的情景”。此刻，鞑靼军已经胜利在望，似乎用不了多久，会战就将以鞑靼军的屠杀而告终。而莫斯科大公国（甚至整个罗斯）韬光养晦一个世纪积蓄起来的武装力量将在这次惨败后荡然无存，压迫在罗斯人身上的“鞑靼桎梏”仍牢不可破……
就在这千钧一发之际，天气突变，刮起了逆风。正在包抄罗斯军侧翼的汗国骑兵的后背朝向了隐藏在一片绿树林后面的“伏击团”。早就在等待战机的德米特里·布罗克-沃伦斯基见风向有利，策马高呼“兄弟们和朋友们，大胆地冲啊”，指挥罗斯军队最后的预备队——埋伏在丛林中的万人骑兵预备团，趁着风势冲向平原，袭击突入大团后方的蒙古骑兵。一时间，巨大的战旗高高飘扬，养精蓄锐已久的罗斯士兵如同饿虎扑食从丛林中一跃而出，冲向库利科沃战场。
这支力挽狂澜的生力军，一举扭转了整个战局：形势从鞑靼军即将合围罗斯军变成了罗斯军前后夹击鞑靼军。已胜券在握的金帐汗国军队一片混乱。大团剩余的罗斯战士乘机鼓起余勇，转入反攻。在高岗上观战的马迈手里已没有预备队了——预备队早就被用在了进攻罗斯大团的战斗中。在这紧要关头，马迈没有表现出卓越统帅应该具备的镇定和应变能力，眼看罗斯军队上演绝地反击，他惊慌失措，居然选择“三十六计走为上”，没等到军队被完全击溃就抛下仍在苦战的将士转身逃走，甚至连拔都以来金帐汗国大汗权力的象征——神圣的“金帐”也弃之不顾了。
腹背受敌，主帅逃跑，这令鞑靼军队斗志全无，很快便兵败如山倒，向东逃去。罗斯军反败为胜，向前进击近50公里至克拉西瓦亚梅恰河，沿途歼灭了不少马迈残军。直到晚上，追击的罗斯战士才开始返回库利科沃平原，胜利的欢呼声在原野上久久不散。
回到战场的罗斯士兵开始寻找他们的最高统帅德米特里大公。英勇的大公作为一名普通战士作战，所有人都知道“他冲锋在前，同鞑靼人多次厮杀”。有人曾看到他与4个蒙古士兵厮杀在一起。几经周折，德米特里终于被找到，当时他穿着被砍碎的甲胄躺在一棵被砍倒的树下昏迷不醒。大公主曾无畏地厮杀，但仍被“鞑靼人的力量”战胜，是出色的甲胄使他幸免于难。恢复知觉后，他走遍战场，下令掩埋牺牲军人的遗体，随后收兵，返回莫斯科。靠着这场胜利，他获得了“顿斯科伊”（即“顿河王”）的尊称。
库利科沃战役结束两天后，马迈的同盟者雅盖洛·奥尔格尔多维奇赶到了战场，可是姗姗来迟的立陶宛人没有勇气与胜利者较量，只捕获了罗斯军的一些运输车，并把车上的所有伤兵杀死泄愤。
