Разгром на Воже многотысячного татарского войска заставил эмира Мамая начать подготовку карательного похода на Москву. Опасаясь объединения Дмитрия с Тохтамышем, эмир решил бить врагов по частям. Но битва на Воже показала силу московского войска. Мамай стал искать союзников и нашел в лице правителя Литвы Ягайло и рязанского князя Олега. Мамай договорился встретиться с Ягайло в степях Дикого поля и расположился на реке Воронеж со своей армией. В свою очередь, Дмитрий Иванович тоже не сидел праздно, а собрав войско из москвичей и союзных Москве княжеств остановился с ним в Коломне.
Мамай, видимо, желая затянуть время до прихода Ягайло, отправил в Коломну послов, потребовавших от Дмитрия выплату высокой дани, какую его предки платили при Узбеке и Джанибеке. Дмитрий ответил, что готов платить дань согласно прежней договоренности с Мамаем, на большую не согласен. На этом гордом ответе дело не кончилось. Дмитрий все-таки «много злата и сребра отпусти Мамаю». Но вскоре пришли вести, «яко Мамай неотложно хощет итти на великого князя Дмитриа Ивановича». У князя Дмитрия оставался единственный выход — разбить Мамая до соединения с Ягайло. Русские полки двинулись навстречу врагу через рязанские земли. В ночь с 7 на 8 сентября они переправились через Дон и расположились на обширном поле в устье Непрядвы. Так повествуют все источники. Дальше начинаются разночтения.
Из летописных повестей и «Задонщины» следует, что в войске, возглавляемом Дмитрием Ивановичем и его двоюродным братом Владимиром Андреевичем Серпуховским, были князья и ратники со всей Северо-Восточной Руси, кроме Тверского и Рязанского княжеств, и из Брянска, Смоленска и Пскова. Новгородцы упомянуты только в «Сказании о Мамаевом побоище», и их участие не подтверждается. В битве участвовали Андрей Полоцкий и Дмитрий Брянский — сыновья литовского князя Ольгерда от витебской княжны Марии (их брат по отцу, Ягайло, был союзник Мамая) и брат Ольгерда — Дмитрий Боброк-Волынский. Андрей княжил в Пскове и привел с собой псковских ратников, а Дмитрий княжил в Переяславле, уделе московского князя. Дмитрий Боброк служил воеводой у Дмитрия Ивановича и был женат на его сестре. Никакие 70 тысяч латников — «милые пановя удалые Литвы», о чем пишут в Задонщине, в битве не участвовали.
Нет данных и об участии на русской стороне татарских отрядов. Крещёные татары и их потомки среди русских дружинников, конечно, были. Старец Софоний Рязанец, с почтением помянутый в «Задонщине», по всей видимости, был в миру боярином Софонием Алтыкулачевичем, приближённым Олега Рязанского. Как считает А.Ю. Никитин, он передал весть Дмитрию о приближении Мамая. В «Сказании о Мамаевом побоище» упоминается бывший разбойник Фома Кацибей — сторожевой в ночь перед битвой. Остальные 10 конных дружинников, посланных в сторожевые заставы, имеют русские фамилии и прозвища. Описанная Гумилёвым 20-тысячная конная дружина из крещёных татар, литовцев и обученных ими русских — домысел автора. Иногда на этот домысел ссылаются как на факт, утверждая, что засадный полк, решивший судьбу битвы, состоял из татар. На самом деле большинство ратников князя Дмитрия были русские, хотя встречались крещёные татары и несколько князей вели род от литовского князя Гедимина.
О численности русского войска можно лишь делать предположения. Сообщения летописей о 150—400-тысячной армии доверия не заслуживают. Современные учёные постепенно снизили численность русского войска от 100 до 36 тысяч. Сейчас склоняются к ещё меньшей численности. О войске Мамая сообщалось лишь, что оно значительно больше русского. Это вовсе не обязательно, хотя, возможно, был некоторый перевес сил татар. В 1385 г. Тохтамыш собрал 90-тысячное войско перед встречей с Тимуром. Тохтамыш был тогда ханом объединенной Золотой Орды, Мамай же владел лишь половиной Орды и вряд ли мог собрать больше 45 тысяч воинов.
В войске Мамая было мало монголов; преобладали татары южнорусских степей, известные раньше как половцы, — будущие крымские, буджакские и ногайские татары. Кроме того, в войске Мамая были «бессермены, армены[94], фрязи, черкасы, ясы, буртасы». Из перечисленных народов только буртасов можно причислить к жителям Поволжья. Остальные — жители юга Украины, Крыма и Северного Кавказа. Поволжских булгар (казанских татар) и башкир среди них нет, и напрасно жители Татарстана обижаются по поводу празднования русскими Куликовской битвы — к ним она не имеет никакого отношения.
«Фрязи», или «фряги», были наёмниками из генуэзских колоний Крыма. Генуэзские арбалетчики считалась тогда лучшими в Европе. Никаких подробностей об их участии в Куликовской битве не существует, но встает важный вопрос об отношениях Мамая с генуэзцами Крыма. О союзе Мамая с черноморскими генуэзцами писал ещё Н.И. Костомаров. Гумилёв развил эту мысль дальше. Он считал, что борьба с Тохтамышем вынудила Мамая ориентироваться на католическую Европу — Геную и Литву. Расплатиться за их помощь он думал за счет Московского княжества. Литве дать земли, генуэзцам — пушные фактории в Великом Устюге.