Ночью Святослав собрал военный совет, чтобы решить, как дальше вести войну. Лучшие воеводы погибли, войска понесли чудовищные потери, очень много раненых. Мнения высказывались разные, одни советовали попытаться ночью прорваться по Дунаю, другие высказывались за мир с ромеями. О продолжении обороны Доростола речи уже не было, поскольку воеводы понимали, насколько истощены ресурсы русской рати. Армия Цимисхия получала всё необходимое с военных баз во Фракии и Македонии, у ромеев не было проблем со снаряжением, продовольствием и подкреплениями. У русских в тылу был Доростол с враждебно настроенным местным населением. Не просто так накануне осады Святослав приказал казнить 300 знатных болгар, а многих приказал заковать в цепи и посадить в тюрьму (7, 73). За продолжение борьбы выступил только один человек – Святослав. Князь отверг все предложения как нереальные и убедил соратников дать ромеям новую битву, где и решится судьба войны. Воодушевленные речью предводителя, воеводы были готовы вновь скрестить мечи с византийцами.
На рассвете 24 июля Святослав вывел русскую рать на битву с ромеями. Чтобы никто не бежал с поля боя, князь приказал оставшимся в городе воинам запереть ворота. Князь выстроил войско плотными рядами, «стена щитов» медленно двинулась к вражескому лагерю. Цимисхий выстроил войска у подножия холма. Атака русских была мощной и стремительной, передовые отряды ромеев были смяты и отступили за ряды тяжеловооруженной пехоты. В бой вступили главные силы имперской армии, но русские успешно отразили атаки панцирной кавалерии и продолжили наступление. К полудню натиск «стены щитов» усилился, ромеи дрогнули и начали отступать. Солнце палило нещадно, катафрактарии и пехотинцы изнывали в тяжелых доспехах от жары и страдали от жажды. Узнав об этом, император приказал отправить в боевые порядки обозных слуг с мехами, наполненными водой и вином. После этого Цимисхий приказал войскам отступить на более широкое место, где можно было использовать численный перевес ромеев. Святослав приказал преследовать отступающего противника, как только византийская армия отошла на новые позиции, сражение возобновилось с прежней силой. Императорский телохранитель Анемас вновь решил завершить битву убийством вражеского предводителя и напал на Святослава. Критянин ударил князя мечом по ключице и сбросил с коня на землю, но Святослава спасли крепкая кольчуга и щит. Дружинники окружили Анемаса и убили телохранителя Цимисхия. Воодушевленные гибелью Анемаса, русские пошли в новую атаку и опрокинули передние ряды ромеев. В этот критический момент Цимисхий призвал к себе Варду Склира, приказал ему обойти вражеское войско и отрезать Святославу путь к отступлению в город. Стратопедарху Петру и патрикию Роману было приказано контратаковать противника. Отдав эти распоряжения, император взял копье и лично повел в бой гвардию «бессмертных». Неожиданно налетела буря, тучи пыли полетели в лицо русским ратникам