Сбор русских войск был назначен в Коломне 15 августа. Из Москвы в Коломну выступило ядро русского войска тремя частями по трём дорогам. Отдельно шёл двор самого Дмитрия, отдельно полки его двоюродного брата Владимира Андреевича Серпуховского и отдельно полки подручных белозёрских, ярославских и ростовских князей.

Участие в общерусском сборе приняли представители почти всех земель Северо-Восточной Руси. Помимо подручных князей, прибыли войска из Суздальского, Тверского и Смоленского великих княжеств. Уже в Коломне был сформирован первичный боевой порядок: Дмитрий возглавил большой полк; Владимир Андреевич – полк правой руки; в полк левой руки был назначен командующим Глеб Брянский; передовой полк составили коломенцы.

Получивший большую известность благодаря житию Сергия Радонежского эпизод с благословением войска Сергием в ранних источниках о Куликовской битве не упоминается. Существует также версия (В. А. Кучкин), согласно которой рассказ жития о благословении Сергием Радонежским Дмитрия Донского на борьбу с Мамаем относится не к Куликовской битве, а к битве на реке Воже (1378) и связан в „Сказании о Мамаевом побоище“ и других поздних текстах с Куликовской битвой уже впоследствии, как с более масштабным событием.

Непосредственным формальным поводом предстоящего столкновения стал отказ Дмитрия от требования Мамая увеличить выплачиваемую дань до размеров, в которых она выплачивалась при Джанибеке. Мамай рассчитывал на объединение усилий с великим князем литовским Ягайло и Олегом Рязанским против Москвы, при этом он рассчитывал на то, что Дмитрий не рискнёт выводить войска за Оку, а займёт оборонительную позицию на её северном берегу, как уже делал это в 1373-м и 1379 годах. Соединение сил союзников на южном берегу Оки планировалось на 14 сентября.

Однако Дмитрий, осознавая опасность такого объединения, 26 августа стремительно вывел войско на устье Лопасни, осуществил переправу через Оку в рязанские пределы. Следует заметить, что Дмитрий повёл войско к Дону не по кратчайшему маршруту, а по дуге западнее центральных районов Рязанского княжества, приказал, чтобы ни один волос не упал с головы рязанца. „Задонщина“ упоминает в числе погибших на Куликовом поле 70 рязанских бояр, а в 1382 году, когда Дмитрий и Владимир уедут на север собирать войска против Тохтамыша, Олег Рязанский покажет тому броды на Оке, а суздальские князья вообще выступят на стороне ордынцев. Решение о переходе Оки стало неожиданным не только для Мамая. В русских городах, пославших свои полки на коломенский сбор, переход Оки с оставлением стратегического резерва в Москве был расценен как движение на верную смерть: „И когда услышали в городе Москве, и в Переяславле, и в Костроме, и во Владимире, и во всех городах великого князя и всех князей русских, что пошёл князь великий за Оку, то настала в Москве и во всех его пределах печаль великая, и поднялся плач горький, и разнеслись звуки рыданий“.

На пути к Дону, в урочище Березуй, к русскому войску присоединились полки литовских князей Андрея и Дмитрия Ольгердовичей. Андрей был наместником Дмитрия во Пскове, а Дмитрий – в Переяславле-Залесском, однако, по некоторым версиям, они привели и войска из своих прежних уделов, бывших в составе Великого княжества Литовского, – соответственно Полоцка, Стародуба и Трубчевска. В последний момент к русскому войску присоединились новгородцы (в Новгороде в 1379–1380 годах наместником был литовский князь Юрий Наримантович). Полк правой руки, сформированный в Коломне во главе с Владимиром Андреевичем, выполнял затем в битве роль засадного полка, а Андрей Ольгердович в битве возглавил полк правой руки. Историк военного искусства Е. А. Разин указывает на то, что русская рать в ту эпоху состояла из пяти полков, однако считает полк во главе с Дмитрием Ольгердовичем не частью полка правой руки, а шестым полком, частным резервом в тылу большого полка.

Русские летописи приводят следующие данные о численности русской армии: „Летописная повесть о Куликовской битве“ – 100 тыс. воинов Московского княжества и 50–100 тыс. воинов союзников; „Сказание о Мамаевом побоище“, написанное также на основе исторического источника, – 260 тыс. или 303 тыс.; Никоновская летопись – 400 тыс. (встречаются оценки численности отдельных частей русского войска: 30 тысяч белозёрцев, 7 или 30 тысяч новгородцев, 7 или 70 тысяч литовцев, 40–70 тысяч в засадном полку). Однако следует учитывать, что цифры, приводимые в средневековых источниках, обычно крайне преувеличены. Более поздние исследователи (Е. А. Разин и др.), подсчитав общее количество населения русских земель, учтя принцип комплектования войск и время переправы русской армии (количество мостов и сам период переправы по ним), останавливались на том, что под знамёнами Дмитрия собралось 50–60 тысяч воинов (это сходится с данными „первого русского историка“ В. Н. Татищева о 60 тысячах), из них лишь 20–25 тысяч – войска непосредственно Московского княжества. Значительные силы пришли с территорий, контролировавшихся Великим княжеством Литовским, но в период 1374–1380 годов ставших союзниками Москвы (Брянск, Смоленск, Друцк, Дорогобуж, Новосиль, Таруса, Оболенск, предположительно Полоцк, Стародуб, Трубчевск). С. Б. Веселовский считал в ранних своих работах, что на Куликовом поле было около 200–400 тысяч человек, но с течением времени пришёл к мнению, что в битве русская армия могла насчитывать только 5–6 тыс. человек. По мнению А. Булычёва, русское войско (как и монголо-татарское) могло составлять около 6–10 тысяч человек при 6–9 тысячах лошадей (то есть в основном это было кавалерийское сражение профессиональных всадников). С его точкой зрения согласны и руководители археологических экспедиций на Куликовом поле: О. В. Двуреченский и М. И. Гоняный. По их мнению, Куликовская битва была конным сражением, в котором с обеих сторон приняло участие около 5–10 тысяч человек, причём это было кратковременное сражение: около 20–30 минут вместо летописных трех часов. В московском войске были как княжьи дворы, так и городовые полки Великого княжества Владимирского и Московского.

Критическая ситуация, в которой оказался Мамай после битвы на реке Воже и наступления Тохтамыша из-за Волги к устью Дона, заставила Мамая использовать все возможности для сбора максимальных сил. Есть любопытное известие, будто советники Мамая говорили ему: „Орда твоя оскудела, сила твоя изнемогла; но у тебя много богатства, пошли нанять генуэзцев, черкес, ясов и другие народы“. Также в числе наёмников названы мусульмане и буртасы. По одной из версий, весь центр боевого порядка ордынцев на Куликовом поле составляла наёмная генуэзская пехота, конница стояла на флангах. Встречается информация о численности генуэзцев в 4 тыс. человек и о том, что за участие в походе Мамай расплатился с ними участком крымского побережья от Судака до Балаклавы.

По сообщению Московского летописного свода конца XV века, Мамай шел „съ всѣми князи Ординьскими и со всею силою Татарьскою и Половецкою. Ещё же к тому понаимовалъ рати, Бесермены и Армены, Фрязы и Черкасы и Буртасы, с нимъ же вкупѣ въ единои мысли и князь велики Литовъскыи Ягаило Олгердовичь со всею силою Литовъскою и Лятьскою, с ними же въ единачествѣ и князь Олегъ Ивановичь Рязанъскыи“.

В XIV веке встречаются численности ордынских войск в 3 тумена (битва при Синих Водах 1362 году, Мамай наблюдал с холма за ходом Куликовской битвы с тремя тёмными князьями), 4 тумена (поход войск Узбека в Галицию в 1340 году), 5 туменов (разгром Твери в 1328 году, битва на Воже в 1378 году). Мамай господствовал лишь в западной половине Орды, в битве на Воже и в Куликовской битве потерял почти всё своё войско, а в 1385 году для похода на Тавриз Тохтамыш со всей территории Золотой Орды собрал армию в 90 тысяч человек. „Сказание о Мамаевом побоище“ называет число 800 тыс. человек. Современные учёные дали свою оценку численности монголо-татарского войска: Б. У. Урланис считал, что у Мамая было 60 тыс. чел. М. Н. Тихомиров, Л. В. Черепнин и В. И. Буганов полагали, что русским противостояло 100–150 тысяч монголо-татар. Ю. В. Селезнёв сделал предположение о монголо-татарском войске в 90 тысяч человек (так как предположительно известно, что Мамай вёл с собой 9 туменов). Руководители археологических экспедиций О. В. Двуреченский и М. И. Гоняный считают известие об участии генуэзской пехоты из Кафы (совр. Феодосия) вымышленным.