Святослав понял, что взять Константинополь не удастся. Византийцы откупились от Святослава данью, и был заключен мир. После этого от Святослава отделились союзники – венгры, печенеги и болгары, в результате чего войско киевского князя уменьшилось до первоначальных 10 тысяч.

Обе стороны рассматривали заключенный под Адрианополем мир как перемирие и готовились к новым боям. К Святославу из Киева прибыли подкрепления. Он разделил свое войско на две части. Князь с основными силами остался в крепости Доростол, а в Преслав направил отряд Сфенкела. В 971 году Цимисхий во главе флота в 300 судов пришел к устью Дуная. Сухопутная армия византийцев, насчитывавшая 15 тысяч конницы и 15 тысяч пехоты, сосредоточилась у Адрианополя. В ее распоряжении имелись осадные машины и огнеметные орудия, стреляющие греческим огнем. К тому времени болгары, первоначально видевшие в Святославе защиту от византийцев, уже отвернулись от него, вследствие чинимых русами насилий и грабежей.

Армия Цимисхия вторглась в Болгарию. 13 апреля 971 года византийцы овладели Преславом. Сфенкел со своим отрядом отступил к Доростолу. 23 апреля у стен этого города появился и Цимисхий. В этот же день произошло первое крупное сражение между основными силами византийцев и русов. В центре боевого порядка Цимисхий поставил тяжелую пехоту, на флангах – тяжелую конницу, а перед фронтом – лучников и пращников. Аналогичный боевой порядок был у русов. Произошло фронтальное столкновение. К концу дня войско Святослава отступило и укрылось за стенами крепости.

Цимисхий построил лагерь и начал осаду. 25 апреля в Дунай вошел византийский флот и блокировал Доростол. Святослав приказал вытащить на берег ладьи, чтобы неприятель не сжег их «греческим огнем». 26–27 апреля произошло новое столкновение под стенами крепости. Исход боя решило появление в тылу у русов византийской конницы. Святослав, опасаясь окружения, поспешно отступил в Доростол. В этом сражении погиб воевода Сфенкел.

В ночь на 29 апреля русы вырыли глубокий ров перед крепостными стенами. Чтобы прикрыть земляные работы и запастись продовольствием, отряд воинов Святослава на ладьях спустился по Дунаю и разорил окрестные селения, а также совершил нападение на византийский обоз, захватив богатую добычу. После этого Цимисхий расположил флот непосредственно перед Доростолом, а на суше распорядился перекопать все дороги, ведущие из крепости, и поставить на них дозоры. Однако через несколько дней Святослав предпринял еще одну успешную вылазку, уничтожив несколько осадных машин.

Но третья вылазка, последовавшая 20 июля, не удалась. Русы наступали фалангой. Византийцы тоже успели построиться в боевой порядок и отразили атаку. Понеся большие потери, Святослав возвратился в крепость. После этой неудачи он собрал военный совет, где прозвучали предложения либо начать мирные переговоры с византийцами, либо попытаться ночью прорваться из окружения. Однако князь предпочел дать генеральное сражение в открытом поле и постараться одолеть Цимисхия.

Последнее сражение Святослава с византийцами произошло 22 июля. Русы атаковали первыми и потеснили противника, но были остановлены кавалерией, предводительствуемой самим императором. Чтобы выманить русов подальше от стен, Цимисхий пошел на хитрость. Часть византийского войска во главе с патрикием Романом и столоначальником Петром стала отступать. Когда русы стали преследовать отступающих, отряд византийцев под командованием Варды Склира отрезал их от стен Доростола. Лишь с большими потерями Святослав смог пробиться обратно в крепость.