Бой начался в полдень, когда Константин Мономах наконец решился отдать приказ на атаку, после которого были атакованы одновременно корабли и укрепленный лагерь Владимира. На море византийцы использовали для атаки три триремы, а на суше два легиона, что было меньше сил Владимира (византийцы, особенно на море, явно надеялись на свое качественное превосходство). Подобная самонадеянность едва не стоила им поражения. Русские воины на ладьях сумели очень быстро окружить корабли нападавших и сразу начали их абордаж с помощью таранов бревнами. Лишь с большим трудом, благодаря применению «греческого огня», от которого начали загораться ладьи, византийцы сумели отразить нападение.

Ярослав Мудрый. Реконструкция проведена по останкам черепа академиком Михаилом Герасимовым в 1938 г.

Увидев, что настала необходимость ввода в бой главных сил, византийский император направил к ладьям Владимира остальную часть своего флота, в том числе уже не только триремы, но и более крупные корабли. Русская флотилия была атакована, линейное построение было нарушено, но это еще не означало неотвратимого поражения – ладьи хорошо маневрировали и поэтому применение «греческого огня» было далеко не столь эффективно, как надеялись византийцы. Исход битвы на море решила внезапно налетевшая буря, и именно ей византийцы обязаны достигнутой победой. Если более тяжелые византийские корабли устояли, то легкие русские ладьи были разбросаны и не смогли больше действовать сообща.

Было бы неправильным говорить о полном разгроме – часть ладей уцелела, и на берег сумели с них высадиться около шести тысяч воинов. Спаслись и командовавшие морским сражением Владимир Ярославич и Иван Творимирич, хотя они и находились в самом центре боя. Однако то, что русское войско лишилось большей части флота, делало невозможной и победу на суше – теперь речь могла идти лишь об отступлении с наименьшими потерями.

Поначалу это удалось – несмотря на все усилия, византийцы не сумели захватить русский укрепленный лагерь. Далее русское войско вынужденно разделилось – меньшая часть под командованием Владимира на немногих оставшихся ладьях уходила морем, а большая под командованием Вышаты, параллельно побережьем по направлению к Дунаю. Возле Варны отступавший русский отряд был встречен сильным византийским войском и разбит, причем флотилия Владимира Ярославича и Ивана Творимирича не решилась в него вмешаться и бросила товарищей. Подобное стало возможным исключительно из-за отсутствия единого командования и, наверняка, если бы во главе русских войск стал лично Ярослав (который бы не потерпел сопротивления своей воле), то поход на Византию не закончился бы столь трагически.

Отметим, что немногочисленные оставшиеся в живых русские воины не были ослеплены (как это традиционно делали византийцы со всеми пленными), что было высшим знаком уважения к проявленной противником воинской доблести.

Несмотря на одержанную победу, Константин Мономах осознавал, что продолжение войны несет для Византии огромную угрозу, особенно усугублявшуюся не только растущей военной мощью Киевской Руси, но и активной дипломатией великого князя Киевского. Учитывая складывавшуюся международную конъюнктуру, было очевидно, что Ярослав сумеет заручиться поддержкой (в том числе, возможно, и военной) ряда влиятельных европейских государств против Византии, в то время как последняя оказалась фактически в международной изоляции. Это заставило византийского императора пойти в 1046 г. на заключение не только мира, но и равноправного союза с Ярославом (что фактически означало признание геополитического равенства Византии и Киевской Руси). Это подтвердило правильность решения Ярослава Мудрого начать войну с Византией, ставшей для него успешной, несмотря на неудачные военные действия. Тактически он проиграл, но стратегическая победа осталась за создателем древнерусской империи, что подтвердило его мудрость и как полководца. Этот пример можно считать прекрасной иллюстрацией к классическому тезису великого стратега Карла фон Клаузевица о сути войны: «Война является не самостоятельным делом, а продолжением политики другими средствами; ввиду этого главные линии всех крупных стратегических планов преимущественно имеют политический характер, который выступает тем сильнее, чем шире они охватывают войну и государство в целом. Весь план войны непосредственно вытекает из политического бытия воюющих государств и их отношений с другими державами».