Русские летописи сообщают, что вместе с Мамаем татарским войском в Куликовской битве командовал хан Мухаммад-Бюляк: «Пришедшемъ рокомъ, преже бо начаша ся съеждати сторожевыи полки и Рускии с Тотарьскими, самь же великии князь наеха напередъ въ сторожевыхъ полцехъ на поганаго царя Теляка, нареченаго плотнаго дьявола Мамаа, таче потомъ, не долго попустя, отъеха князь въ великии полкъ»258. Отсутствие последующих упоминаний о нём свидетельствует, что этот последний правитель Золотой Орды из потомков Бату был убит в сражении. Гибель восемнадцатилетнего хана Мухаммада-Бюляка 8 сентября 1380 г. в битве с русскими сыграла роковую роль в судьбе Мамая. По всей видимости, у него уже не было возможности поставить на престол нового хана.
Бежав после поражения на Дону, Мамай собрал остатки своих ратей, чтобы вновь идти на Русь – на этот раз неожиданным набегом («изгоном»). Однако вместо этого ему пришлось выступить против хана Тохтамыша, который уже в 1379 г. сумел захватить ордынскую столицу Сарай. Войска противников сошлись на Калке, но сражение не состоялось. Эмиры ордынского беклярибека, вынужденного на этот раз выступать от собственного, а не от ханского имени, перешли на сторону Тохтамыша. Мамай бежал в Крым, где вскоре был настигнут и убит посланцами Тохтамыша: «Тогда же Мамаи не въ мнозе утече съ Доньскаго побоища и прибеже въ свою землю въ мале дружине, видя себе бита и бежавша и посрамлена, и поругана, пакы гневашеся и неистовяся, яряся, и смущашеся, и събра останочьную свою силу, еще въсхоте ити изгономъ пакы на великаго князя Дмитриа Ивановичя, и на всю Русскую землю. Сице же ему умышльшу, и се приде ему весть, что идеть некыи царь съ востока, именемъ Тактамышь, изъ Синие орды. Мамаи же, еже уготова на нь рать, съ тою ратью готовою поиде противу его, и сретошася на Калкахъ. Мамаевы же князи, сшедше съ коневъ своихъ, и биша челомъ царю Тактамышю, и даша ему правду по своеи вере, и пиша къ нему роту, и яшася за него, а Мамая оставиша, яко поругана. Мамаи же, то видевъ, и скоро побежавъ съ своими думцами и съ единомысленики. Царь же Токтамышь посла за нимъ въ погоню воя своя и убиша Мамая, а самъ шедъ взя орду Мамаеву и царици его и казны его, и улусъ весь поима, и богатьство Мамаево взя, раздели дружине своеи»259.
О своей победе над Мамаем Тохтамыш тут же известил русских князей: «И оттуду послы своя отпусти на Рязаньскую землю къ князю великому Дмитрию Ивановичю и къ всемъ княземъ Русскымъ, поведая имъ свои приходъ и како въцарися, и како супротивника своего и ихъ врага Мамая победи, а самъ шедъ седе на царстве Волжьскомъ. Князи же Русстии пословъ его отпустиша съ честью и съ дары, а сами на зиму ту и на ту весну за ними отпустиша коиже своихъ киличеевъ съ многыми дары къ царю Токтамышю»260. Ответное посольство к Тохтамышу направил также и Дмитрий Иванович: «На ту же осень князь великии отпусти въ орду своихъ киличеевъ Толбугу да Мокшея къ новому царю съ дары и съ поминки»261