На рассвете Владимир вывел флот в море и выстроил ладьи в длинную линию, растянув строй судов от одного берега до другого. Византийские корабли выстроились в боевой порядок напротив вражеского флота, Константин IX покинул дромон и поднялся на пологий холм, чтобы отсюда наблюдать за сражением. Флоты простояли друг напротив друга до самого вечера, никто не решился первым начать сражение. Когда очередная попытка ромеев вступить с противником в переговоры потерпела неудачу, император приказал атаковать вражеский флот. Вперед выдвинулись два огненосных дромона под командованием патрикия Василия Феодорокана, ему было приказано сблизиться с вражескими судами и спровоцировать князя Владимира на атаку. Но патрикий увлекся, нарушил приказ и ударил в центр позиций противника. Ладьи и драккары быстро окружили дромоны, русские и варяги устремились на абордаж. Ромеи с высоких палуб кидали камни и копья, дружинники рубили борта дромонов топорами и пытались пробить заостренными бревнами. Морская битва стала похожа на сухопутное сражение. Ситуация изменилась, когда ромеи стали использовать греческий огонь. Семь ладей загорелись, три были потоплены ударами таранов, на остальных русских судах началась паника. Феодоркан воспользовался ситуацией и со своими людьми захватил вражеское судно. Увидев успех авангарда, в бой вступили остальные корабли императорского флота. Византийская атака обратила русских в бегство, ладьи тонули, налетали на скалы и подводные камни. В это время резко изменилась погода, восточный ветер погнал огромные волны на княжеский флот и разбросал ладьи по морю. Византийские корабли, более мощные и устойчивые, изменили курс и стали уходить в Босфор. Ладью Владимира разбило ветром, князя спас воевода Иван Творимирич. Большая часть флота погибла, согласно свидетельству Скилицы на берегу было обнаружено 15 000 погибших русских (150, 238). Константин Мономах два дня пробыл на месте сражения и вернулся в столицу. Солдатам сухопутной армии досталось огромная добыча, среди трофеев были оружие и доспехи, выброшенные волнами на берег (150, 238). Поражение Владимира было сокрушительным, вновь проявилось подавляющее преимущество ромеев в морской войне.
Около 6000 дружинников и ратников оказались на суше без оружия и воинского снаряжения, не нашлось для них и места в ладьях. Приближенные Владимира наотрез отказались возглавить этот отряд, только воевода Вышата проявил мужество и принял командование над отчаявшимися людьми: «Вышата же воевода, видев дружину свою стоящу, и рече: «Не иду к Ярославу» (54, 128). Вышата повел отряд на север, но на половине дороги был перехвачен ромеями. По сообщению Иоанна Скилицы, «архонт городов и деревень у Истра» Катакалон Кекавмен в окрестностях Варны разбил отряд Вышаты и взял в плен 800 русских воинов (150, 238). Многие из пленников