Но главным делом жизни Владимира Серпуховского следует признать его участие в Куликовской битве, которая состоялась в пятницу, 8 сентября, 1380 г. Владимир Андреевич вместе с великим князем Дмитрием, литовско-русскими князьями Андреем и Дмитрием Ольгердовичими и прочими русскими воеводами принимал участие в военном совете, где 7 сентября 1380 г. обсуждался план действия русских войск. «Сказание о Мамаевом побоище» сообщает, что перед битвой князь Владимир горячо молился: «Боже, Отец наш, сотворший небо и землю, помоги народу христианскому! Не допусти, Господи, радоваться врагам нашим над нами, мало накажи и много помилуй, ибо милосердие Твое бесконечно!»

8 сентября 1380 г. князь Владимир Серпуховской, возможно, осуществлял верховное руководство сражением, находясь с Дмитрием Боброком-Волынским во главе Засадного полка. Сам Дмитрий Донской, как известно, сражался рядовым воином в составе Передового полка.

«И была крепкая битва и злая сеча, и кровь лилась, как вода, и бесчисленное множество воинов с обеих сторон, с татарской и русской, пали мертвыми. И татарское тело падало на христианское, и христианское на татарское, и смешалась кровь татарская с христианской. А всюду лежало такое множество мертвых, что кони не могли ступать по мертвым. И погибали не только от оружия, но многие сами себя убивали, и под копытами конскими умирали, и задыхались от великой тесноты: ведь невозможно было вместиться на поле Куликовом между Доном и Мечей из-за множества сошедших войск», — так рассказывает о сражении летописная повесть.

Удар Засадного полка в тыл татарской коннице, которая, потеснив русский полк левой руки, стала заходить во фланг Большого полка, стал поворотным моментом Куликовской битвы. Этот удар привел к паническому отступлению и разгрому войск темника Мамая.

За свои действия на Куликовом поле Владимир Андреевич получил прозвания Храброго и Донского. Историки редко используют последнее, чтобы не вызывать путаницы, т. к. и Дмитрий, тяжело контуженный в Куликовском сражении, заслужил «титул Донского». Но летописцы называли Владимира Донским, прозвания Донской и Храбрый вошли в эпитафию на надгробной плите на захоронении Владимира Серпуховского в Архангельском соборе Московского Кремля.

Необычайно решительно князь Владимир действовал в 1382 г. в ходе нашествия хана Тохтамыша на Русь. Собственно, Владимир Андреевич оказался единственным русским князем, который не побоялся выступить против Тохтамыша лично. В отличие от темника Мамая Тохтамыш был Чингизидом и законным обладателем золотоордынского трона. Это помогло ему с помощью эмира Тимура (Тамерлана) прекратить «великую замятию» и восстановить единство Золотой Орды. Инерция политического сознания на русском северо-востоке была еще велика, и князья, готовые во главе с Дмитрием Московским и Владимирским сражаться против узурпатора Мамая, вовсе не были так решительны в отношении «законного царя» Тохтамыша. Собрать вновь общерусскую коалицию в 1382 г. не удалось. Большинство северо-восточных русских князей признали власть Тохтамыша. Москва, оставленная Дмитрием Донским, была взята обманом и сожжена, жители ее погибли. Но навстречу Тохтамышу выступил Владимир Серпуховской. Под Волоколамском он разбил передовой отряд татар, и хан прекратил нашествие и ушел в Степь.

Однако зависимость от Золотой Орды великого княжения Владимирского вместе со всеми входящими в нее великими и удельными княжествами была восстановлена. Дмитрий Иванович Московский получил ярлык и возобновил выплату дани Орде. Заложником в Сарае был в 1382 г. оставлен княжич Василий, старший сын Дмитрия Донского.