Выйдя из леса, ромеи разбили лагерь, окруженный для защиты, повозками обоза и осадного парка. В лагере был оставлен небольшой гарнизон. Вернувшиеся вскоре разведчики доложили о выходе войска Святослава из стен крепости. Славяне построились в боевой порядок на открытой местности. Они стояли длинной, глубоко эшелонированной линией, ощетинившейся копьями в ожидании подхода неприятеля. Русы имели бесспорное превосходство в людях, хотя цифра в 60 000 человек, приводимая одним из источников, — явное преувеличение (осмотр средневековых укреплений Доростола показывает невозможность размещения такой армии). Тем не менее ясно, что это была значительная сила, за три года господства Святослава в Болгарии возросшая за счет местных уроженцев, по сравнению с тем войском, с которым он начал свой поход в 968 г.
Против длинной, плотной линии русов Иоанн развернул по фронту три отдельных отряда. Позади пехоты на обоих флангах стояла тяжелая кавалерия, а во второй линии в центре — лучники и пращники, готовые вести губительный огонь по неприятелю, как только он окажется в пределах досягаемости.
До полудня противники стояли в готовности напротив друг друга. В полдень русы, не дожидаясь более атаки ромеев, ринулись вперед, оглашая окрестности раскатистым громовым кличем. В начале боя ромеи сумели сдержать натиск и в ряде пунктов прорваться сквозь плотную массу воинов Святослава, но он быстро перегруппировал свои силы. Теперь русы встречали контратаки сплошной стеной щитов. Более часа ожесточенный бой велся с переменным успехом, потом обе стороны отошли назад, чтобы подготовиться к новой схватке. Вскоре сражение возобновилось, и снова византийцы остановили славян, даже сумев несколько их потеснить, но ни расстроить, ни прорвать их линию не удалось. Очевидец событий, Лев Диакон, служивший в императорском штабе во время похода, пишет, что русы, имевшие славу непобедимых, не могли уступить поле боя, считая это личным позором для каждого воина, а ромеи не желали признать поражение от варваров, которые, по собственному выражению Льва, не могли даже коня оседлать. До вечера исход сражения оставался нерешенным, до тех пор, пока император не приказал тяжелой коннице атаковать на обоих флангах, а пехоте — усилить натиск в центре. Громкими боевыми криками по всей линии подбадривали ромеи своих латников, пока два бронированных клина не врубились в стену славянских щитов. Оба фланга были смяты и прижаты к центру. Всего за несколько минут фронт русов, прорванный на многих участках, полностью разрушился, и воины бросились обратно в крепость, чтобы успеть спастись прежде, чем их догонят преследователи или закроются ворота.
Император приказал сыграть сбор, и, как вспоминает Лев, солдаты возвращались в лагерь с победными песнями. Место для лагеря было выбрано в низине, на некотором расстоянии от крепости. Он был укреплен рвом и земляным валом, на котором густым частоколом установили копья и колья, развесив на них щиты. Лев Диакон обращает внимание, что это было обычной практикой организации ромейского лагеря во враждебной стране.
На следующий день имперские отряды приблизились к крепости и провели разведку боем некоторых фортов, но были встречены градом стрел и камней. В ходе перестрелки ни одна из сторон не понесла ощутимого урона, и византийцы отступили к лагерю, оставив крепость под постоянным наблюдением. К вечеру русы сделали вылазку, чтобы отогнать ромейские пикеты. Диакон пишет, что это был первый случай, когда славян увидели верхом. Но их неопытность в конном бою вскоре сказалась, и ромейская конница легко отбросила их обратно, в Доростол.
На этой стадии император, кажется, не хотел вести слишком жесткую осаду, а скорее пробовал выманить русов в поле, предпочитая победить в открытом сражении, а не штурмовать неприступные стены и башни крепости или брать ее измором.