Положение осажденных ухудшалось, силы их таяли. А Цимисхий, наоборот, получал подкрепления. Святослав советовался со своими военачальниками, как быть дальше. Одни предлагали попытаться проскользнуть в глухую ночь на ладьях мимо кораблей противника и уйти в Киев. Другие советовали примириться с Цимисхием и этим сохранить войско. Князь решил еще раз попробовать пробиться из окружения. «Выбирать нам не из чего, — сказал Святослав на совете. — Волей или неволей мы должны драться. Не посрамим же земли Русской, но ляжем костьми, мертвые бо срама не имут. Станем крепко. Я пойду впереди вас, и если глава моя ляжет, то промыслите собой».

«Итак, — пишет Лев Диакон, — в шестой день недели, 22 июля, при заходе солнца русские вышли из города, построились в твердую фалангу и, простерши копья свои, решились идти на подвиг. Император также построил войско в строй и вывел его из стана. Открылось сражение. Скифы (русские) сильно напали на римлян (византийцев); кололи их копьями, поражали коней стрелами и всадников сбивали на землю. Тогда Анемас (византийский воин), увидев Святослава, с бешенством и яростью стремящегося на наших воинов и ободряющего полки свои, поскакал прямо на него, поразил его в самую ключевую кость и повергнул ниц на землю. Но не смог умертвить: кольчужная броня и щит, которым он вооружился от римских мечей, его защитили. Конь Анемаса частыми ударами копий сражен был на землю; тогда, окруженный фалангою скифов, упал сей муж, превосходивший всех своих сверстников воинскими подвигами. Росы, ободренные его падением, с громким и диким криком бросились на римлян. Устрашенные необыкновенным их натиском, римляне начали отступать».

Цимисхий, опытный полководец, увидел, что наступили решающие минуты битвы. Он поспешил на помощь отступавшим с отборным отрядом конницы — отрядом «бессмертных». В это время вдруг поднялся вихрь, тучей пыли ударил в глаза дружинникам, ослепил их. «Внезапно восставшая и разлившаяся по воздуху буря с дождем расстроила россов, ибо поднявшаяся пыль вредила их глазам» — так записал этот момент боя Лев Диакон. Наступление русских приостановилось. К тому же они отдалились от города. Цимисхий воспользовался и этим. Его конница поскакала в тыл русского строя. Святослав был бы разгромлен на этот раз, не оставь он позади себя вторую линию из своей конницы. Всадники, в основном болгары и венгры, сшиблись с византийцами и отбросили их. Но на большее сил не было. Святослав укрылся с войском в крепости.

На другой день Святослав и Цимисхий вели переговоры о прекращении войны. По договору русские уходили с Дуная, отдавали Доростол и отпускали пленных. Византийцы обязались пропустить дружину к морю, выдав каждому дружиннику по две меры хлеба на дорогу. Подтверждалось право русских купцов на свободную торговлю в Царьграде.

С двадцатью двумя тысячами воинов, из которых половина была больных и раненых, Святослав спустился в ладьях в устье Дуная. Там он с частью дружины остался зимовать. А воевода варяг Свенельд, служивший еще его отцу — Игорю, отправлен был в Киев за новой ратью: Святослав не оставил мысли вернуться к Доростолу. По какой-то причине Свенельд не возвратился к Святославу. Считают, что это было предательством. Свенельд рассчитывал занять более высокое место при князе Ярополке, сыне Святослава, но для этого нужно было погубить князя-отца.

Зимовка в устье Дуная оказалась тяжелой. Дружинники голодали. Были съедены все лошади. Весной Святослав с маленьким отрядом двинулся на ладьях в Киев. Печенеги, извещенные византийцами, ждали русских у порогов. Святослав знал об этом, но коней, чтобы обойти степью опасное место, не было.

Когда строили Днепровскую гидроэлектростанцию, на осушенном дне реки нашли истлевшие русские мечи.