Отряд Демосфена был окружен, после чего, понеся большие потери, оставшиеся в живых 6000 человек сложили оружие. Некоторые источники утверждают, что Демосфен пытался покончить с собой, но был схвачен врагами, прямо во время совершения самоубийства. Тем временем Никий и его люди оторвались от преследователей, но уже на следующий день сиракузцы вновь нагнали их. Они сообщили Никию, что Демосфен и его отряд сдались, и предложили ему те же условия, но предводитель афинян не поверил им, думая, что это очередная провокация с их стороны. Вместо этого он от имени Афин предложил возместить Сиракузам ущерб от военных действий. В ответ сиракузцы перешли в бешеную атаку на всех фронтах.
На следующий день изможденная, страдающая от жажды и голода армия Никия продолжила свое беспорядочное отступление, пробираясь к реке Ассинар под непрерывным обстрелом неприятеля. Здесь остатки афинской армии полностью утратили дисциплину. Воины бросились к берегу реки, и пока они жадно пили воду, сиракузцы выстроились на высоком берегу и возобновили масштабный обстрел. Никий сдался Гилиппу, после чего тот приказал больше не убивать вражеских воинов, а брать их в плен. Впрочем, сдались лишь немногие афиняне, сильно ненавидевшие сиракузцев.
Хотя Афины и не были побеждены в течение ближайших лет после поражения при Сиракузах, они уже никогда не смогли взять реванш.
После того, как афиняне сдались, Никия и Демосфена казнили даже без какого-либо подобия суда. Это было сделано несмотря на возражения Гилиппа (он хотел забрать их с собой в Спарту). 7000 пленных афинян отправили на работы в каменоломни близ Сиракуз, где в течение восьми месяцев почти все они погибли от тяжелого труда, голода и болезней. Немногие счастливчики, которым удалось пережить это испытание, были проданы в рабство.
Поражение в сражении при Сиракузах стало самой тяжелой неудачей Афин и переломным моментом в ходе Пелопонесской войны. Отправленная в экспедицию армия была потеряна полностью: не вернулся ни один корабль, ни один человек. Большинству греков казалось, что дни могущества Афин сочтены.