Демосфен считал, что пока у афинян остается боеспособный флот, необходимо эвакуировать войска. Никий же стал опасаться последствий отступления без согласия афинского собрания. Угрозе возможной казни в Афинах, он предпочел риск боев со спартанцами. Иными словами, он предпочел бы встретить смерть на поле боя как солдат, чем дома умереть как государственный преступник.
Прибытие спартанских подкреплений заставило Никия наконец признать необходимость вывода войск. Однако теперь это было уже невозможно. Сиракузцы были полны решимости вновь встретить врага в Большой гавани, где 76 сиракузских трирем нанесли поражение 86 афинским кораблям. Имея полностью укомплектованные экипажи, сиракузцы готовились к четвертому и последнему морскому сражению.
Афиняне не имели общего плана, и каждый корабль действовал сам по себе, вне зависимости от того, быстроходным он был или нет. Они попытались прорвать заграждение из сиракузских торговых судов, перекрывавших выход из гавани. Удар 110 афинских кораблей прорвал линию сиракузцев, но другая часть сицилийского флота атаковала их, и вскоре бой распространился по всей гавани. Поскольку на очень небольшом пространстве оказалось сразу около 200 кораблей, практически невозможно было при маневре не врезаться в другой корабль. Сражение превратилось в череду хаотичных локальных столкновений. Копья, стрелы и камни сыпались на корабли противников, а воины сошлись в рукопашной, стараясь захватить неприятельские суда.
После продолжавшегося весь день боя афиняне всё же потерпели поражение. Они высадились на берег и бежали в свой лагерь. Демосфен, подсчитав, что афиняне всё ещё имеют 60 боеспособных трирем против менее 50 у противника, предложил на рассвете снова идти на прорыв. Но было уже слишком поздно — афиняне сильно упали духом. Они наотрез отказались снова грузиться на корабли и настояли на том, чтобы попытаться прорваться по суше, хотя это было крайне опасно и трудно. Но к доводам рассудка и на этот раз не прислушались державные афиняне.
Оставив больных и раненых, 40-тысячная армия афинян и их союзников начала переход по суше к Катане — городу, остававшемуся на стороне Афин. План состоял в том, чтобы двигаться по реке Анап вверх по течению, добраться до областей, населенных дружественными горцами, а затем повернуть на север к Катане. Сиракузцы стремились помешать такому маневру, опасаясь, что афинская армия после передышки сможет вернуться обратно к Сиракузам, усиленной новыми подкреплениями с метрополии. Гилипп выслал отряды, чтобы блокировать противнику пути безопасного отхода. Никий возглавлял авангард, а Демосфен командовал арьергардом, однако серьезных успехов им добиться в течение нескольких суток не удалось. Ночью пятого дня они отказались от первоначального плана и решили двигаться в противоположном направлении. Этого сиракузцы не ожидали.
На шестой день две афинские колонны разделились и продолжили движение по отдельности, подвергаясь постоянным налетам сиракузской конницы и копейщиков.