Положение осажденных особенно ухудшилось, когда по Дунаю к Доростолу подошел многочисленный неприятельский флот. Русичи, чтобы спасти свои ладьи от «греческого огня», перенесли их на руках под самые крепостные стены и оставили их там под защитой лучников.

На третий день осады, 26 апреля, князь Святослав вновь вывел свое войско в поле. Русичи бились в пешем строю и простояли на равнине всю ночь, однако византийцы не решились продолжить сражение. Через два дня к Доростолу подошли обозы с баллистами и катапультами, метавшими на большие расстояния камни, бревна, тяжелые стрелы и глиняные горшки с «греческим огнем». Однако пододвинуть тяжелые метательные машины под крепостные стены византийцам не удалось: русичи за одну ночь выкопали на их пути широкий и глубокий ров.

Осада крепости затягивалась; в крепости осталось мало продовольствия и появилось много больных. В полдень 19 июня воины Святослава совершили неожиданную вылазку из крепости (императорская армия отдыхала после сытного обеда) и изрубили множество баллист и катапульт, так досаждавших им. На следующий день они вновь вышли из крепости и в бою нанесли немалый урон панцирной коннице катафрактов.

Последнее сражение под стенами Доростола произошло 22 июня. Князь Святослав приказал запереть за собой ворота, чтобы никто без его приказа в случае поражения не мог укрыться за крепостными стенами. Удар пешего войска русичей был столь силен, что византийская армия стала отступать к осадному лагерю. В такой критической ситуации император Иоанн Цимисхий лично повел в атаку полк «бессмертных», лучшую часть его армии. Сражение прекратилось самым неожиданным образом — разразилась сильная гроза, поднялся шквальный ветер и начался ливень. Русичи, забросив за спину щиты, по сигналу трубы возвратились в крепость.

После этой демонстрации силы русского войска князь Святослав на следующий день начал переговоры с императором Иоанном Цимисхием. Византийцы были рады такому исходу войны: русичи по своей воле покидали Болгарию и уходили на Русь, обеспеченные на обратный путь продовольствием. Было выдано по две меры хлеба на каждого из 22 тысяч русского воина.

Условия ухода русского войска с берегов Дуная были почетными. Однако, прежде чем князь Святослав оказался в устье Дуная, в кочевья печенегов прибыл полномочный посол византийского императора епископ Феофил. Он хорошо заплатил степным вождям за нападение на возвращавшегося на Русь князя Святослава.

Приплыв на ладьях на «острова Русов» в устье Дуная, войско Святослава разделилось. Конную дружину возглавил воевода варяг Свенельд, и она двинулась по степям и лесам в Киев. Воевода Свенельд убеждал Святослава: «Обойди, князь, пороги на конях, ибо стоят у порогов печенеги». Но гордый воитель не захотел обходить опасность.

Ладейный флот двинулся вверх по Днепру, имея на судах большое число раненых и больных воинов. У днепровских порогов Святослав понял, что ему не прорваться через печенежскую конницу. И он приказал повернуть назад, чтобы перезимовать на островах в Белобережье. Но зимовка выпала очень тяжелой — питаться приходилось преимущественно одной рыбой без соли.

Весной 972 года князь вместе с оставшимися в живых после зимовки воинами вновь двинулся вверх по Днепру. Воеводу Свенельда с обозами и конными дружинами он так и не дождался. На днепровских порогах Святослава уже поджидали печенеги во главе со своим князем Курей. Подробности последнего боя Святослава Игоревича истории неизвестны: у порогов вместе с ним пали все его дружинники.