Боевое построение русов было гем же, что и накануне, с той лишь разницей, что вместо Икмора их вёл в бой сам Святослав. В этот раз князь не стал ждать наступления византийцев, а сам повёл своих воинов в атаку на вражеские шеренги. Тесно сомкнув ряды, «стена щитов» двинулась вперёд, и Цимисхий, желая нанести неприятелю урон задолго до прямого столкновения главных сил. послал вперёд мобильные войска. Лучники, пращники, метатели дротиков выбежали перед строем тяжёлой пехоты ромеев и забросали противника метательными снарядами. Но русы подняли свои большие щиты и без потерь продолжали идти вперёд. Видя неудачу этой атаки, базилевс отозвал с поля бою лёгкую пехоту и велел ей встать в тылу боевых порядков. И если вдруг появится такая возможность, то поражать врагов стрелами и камнями через головы своих.
Когда же до ромейских рядов оставалось совсем немного, Святослав дал команду, и русы, прокричав боевой клич, перешли на бег. Ощетинившаяся копьями стена с разгона врезалась в строй византийцев и опрокинула передние ряды. То, что происходило дальше, больше напоминало кошмар: русы кололи врагов копьями, били щитами, секли мечами, и ромеи, не выдержав этого бешеного напора, стали медленно отступать. Базилевс ввёл в бой резервы — напрасно, русы смяли их и продолжили наступление, громя имперскую пехоту. Святослав шёл в первом ряду, отчаянно рубил ромеев мечом, отражал щитом градом сыпавшиеся на него удары, отчаянно прорубаясь сквозь центр византийских позиций. С двух сторон князя защищали гридни, под их ударами валились все, кто пытался прорваться к Святославу с боков. Цимисхий, видя разгром своей пехоты, велел трубить отход и вводить в бой панцирную кавалерию, повторялась ситуация, которая сложилась в битве накануне. Только в это раз не смерть Цимисхия была конечной целью Святослава, а разгром всей армии Империи.
От грохота тысяч копыт сотрясалась равнина перед Доростолом, ветер развевал имперские штандарты и бандоны над идущими в атаку катафрактами и клибанариями, а ромейские пехотинцы разбегались в стороны, освобождая место для удара тяжёлой конницы. Но русы не дрогнули, приняли отборных всадников Империи на топоры и копья, а после короткой, но яростной сечи и вовсе остановили вал византийской атаки. Панцирная кавалерия отхлынула, а Святослав поднял меч и снова повёл свои полки вперёд, преследуя отступающего врага. Однако ромеи успели выровнять ряды, перевести дух и снова бросились на противника, тараня железными клиньями боевые порядки русов.
Солнце палило нещадно, бойцы обеих армий изнывали от страшной жары и мучительной жажды. Но если русы стойко переносили лишения благодаря своим более лёгким доспехам, то катафракты и клибанарии буквально жарились в своих тяжёлых железных панцирях. Силы быстро покидали ромеев, и они снова поддались под натиском противника, всадники сзади разворачивать коней и выходить из боя. Это заметил и Цимисхий, а потому распорядился срочно отвести тяжёлую кавалерию в тыл, снова ввести в бой пехоту, а сам, встав во главе «бессмертных», вытащил из пожен меч и повёл гвардейцев в атаку. Атака элиты, поддержанная пехотой, остановила вражеское наступление, упорный бой вновь завязался по всему фронту, а в это время всадники панцирной конницы отошли в тыл. Там они буквально вываливались из сёдел, сотни слуг метались среди них, разнося мехи с водой и вином, пытаясь напоить всю эту изнывающую от жажды толпу. Измученных кавалеристов обливали водой, с некоторых снимали раскалённые солнцем доспехи, и измотанные люди падали прямо на землю, чтобы хоть несколько минут насладиться желанным покоем. А битва тем временем продолжалась.
Сражение длилось уже достаточно долго, но пока ни одна из сторон не сумела добиться решающего перевеса, и тогда Цимисхий, выйдя из боя, решил взглянуть на битву со стороны. Базилевс искал решение, которое могло бы переломить её ход в пользу ромеев, искал слабое место в боевых порядках врага. И как ему показалось, нашёл. Император решил притворным отступлением растянуть фронт русов, заставить их в погоне за отступающим противником сломать строй, выманить подальше от крепостных стен, а затем нанести сокрушительный удар и смять врага. Недолго думая Цимисхий стал готовить отступление своих войск, одновременно приказав тяжёлой коннице приготовиться к бою.