Имперское войско пришло от Преслава к Доростолу примерно через неделю. Цимисхий послал к Святославу нескольких пленных росов с требованием сложить оружие и покинуть страну, которую уже считал завоеванной. Царя Бориса с семьей он захватил, столицу Болгарии переименовал в Иоаннополь. Плиска и другие города перешли на сторону сильного без боя. Лев Диакон сохранил описание «знаков царского достоинства» Бориса, восходящих к византийской моде и сильно напоминающих наряд русских князей, когда мы видим их на изображениях XI века: «они состояли из тиары (в виде круглой шапки), отороченной пурпуром, вышитой золотом и жемчугом, а также из багряницы (плаща в форме корзна) и красных полусапог».

Тем временем Святослав, обезглавив 300 знатных болгар, «находившихся в подозрении», двинул «около шестидесяти тысяч» (то есть шести тысяч) росов против ромеев. Когда войска императора, пробившись через засады, «подошли к пространству, лежащему перед Дористолом… тавроскифы плотно сомкнули щиты и копья, придав своим рядам вид стены, и ожидали противника на поле битвы. Император выстроил против них ромеев, расположив одетых в панцири всадников по бокам, а лучников и пращников позади, и, приказав им безостановочно стрелять, повел фалангу в бой», — читаем у Льва.

Согласно хронике Скилицы, это было 23 апреля, в день святого Георгия. Число росов, вступивших в схватку с императорской армией на подходах к Доростолу, он оценивал в 7 тысяч, зато все войско Святослава без стеснения посчитал за 320 тысяч. Похоже, тут число воинов умножено уже на сто, чтобы оправдать трудности, с которыми столкнулась армия императора. Сложение 7 тысяч с 3.200 дает примерно 10 тысяч, как Святослав сам характеризовал свое войско за год до этого, с небольшим пополнением.

Под Доростолом, согласно Льву, «воины сошлись врукопашную, завязалась яростная битва, и в первых схватках обе стороны долго сражались с одинаковым успехом. Росы, стяжавшие среди соседних народов славу постоянных победителей в боях, считали, что их постигнет ужасное бедствие, если они потерпят постыдное поражение от ромеев, и дрались, напрягая все силы. Ромеев же одолевали стыд и злоба, что они, побеждавшие оружием и мужеством всех противников, отступят как неопытные в битвах новички и потеряют в короткое время свою великую славу, потерпев поражение от народа, сражающегося в пешем строю и вовсе не умеющего ездить верхом. Побуждаемые такими мыслями, войска сражались с непревзойденной храбростью; росы, которыми руководило их врожденное зверство и бешенство, в яростном порыве устремлялись, ревя как одержимые, на ромеев, а ромеи наступали, используя свой опыт и военное искусство. Много пало с обеих сторон, бой шел с переменным успехом, и до самого вечера нельзя было определить, на чью сторону склоняется победа. Но когда светило стало клониться к западу, император бросил всю конницу во весь опор; громким голосом призвал он воинов показать на деле природную ромейскую доблесть и вселил в них бодрость духа. Они устремились с необыкновенной силой, трубачи протрубили к сражению, и могучий клич раздался над ромейскими рядами. Скифы, не выдержав такого натиска, обратились в бегство и были оттеснены за стены; они потеряли в этом бою многих своих. А ромеи запели победные гимны и прославляли императора. Он раздавал им награды и устраивал пиры, усиливая их рвение в битвах».