通过激战，他们不但攻破了雅典人彻底包围叙拉古的计划，而且重新夺回了制高点埃庇坡莱，并攻克了要塞普利密昂。同时，科林斯的舰队也突破雅典海上封锁进入叙拉古港，与叙拉古海军合兵一处，向雅典舰队发起了猛烈的反击。尼西阿斯见战势不利，立即收缩兵力，采取守势，并修书一封送往雅典，请求增派援兵。雅典公民大会见信后，立即命名将德谟斯提尼、攸利密顿率73艘战舰和5000名重装步兵以及更多的轻装步兵前往西西里支援，决心把战争进行到底。德谟斯提尼率增援部队到达西西里后，依仗兵力上的优势，登陆不久，便主动向敌军重新控制的埃庇坡莱高地发起夜间袭击。叙拉古和、斯巴达的联军顽强抵抗、杀死雅典军队2000人，粉碎了雅典人的企图。德谟斯提尼这才发觉情势比想象的更坏，尤其是士气低落，官兵都盼着回家。加上军营设在沼泽地带，士兵越来越多的人患病，再拖下去别说胜利，恐怕连国都回不去了。因此，他向尼西阿斯提议立即退兵。但尼西阿斯担心承担失败的责任，坚持继续作战。就在这时，斯巴达派出的援兵赶到了西西里，叙拉古也募集了大批援兵，雅典人人数上的优势也丧失了。尼西阿斯闻讯大惊，终于决定尽快撤离。全军将士登上战舰，准备重返家园。
也许是天意，恰在这时，发生了月食。一向谨慎的尼西阿斯立即下令停止行动，召来占卜师占卜，得出卜辞为再等3个9天，即27日后才可移动军队。于是撤军又延误下来，在最需要决断的时刻，尼西阿斯犹豫不绝，把远征军推上了绝路。叙拉古人和斯巴达人并未因月食而停止战斗，他们向雅典人展开了猛烈地进攻。9月3日，海湾内发生激战，76艘叙拉古战舰击败86艘雅典战舰，雅典骁将攸利密顿战死。残舰被迫退回自己的泊地。叙拉古人乘机堵住海湾出口，将雅典海军完全封锁。
事情到了如此地步，尼西阿斯再也顾不上天意，连夜下令所有军队，除留守人员外，全部上舰与敌人决战。次日，西西里港湾展开了一场前所未见的激战。双方舰只搅在一起，人们歇斯底里地嘶喊，战舰砰砰相撞。每一舰靠拢和冲撞后，双方士兵就把标枪、石头、羽箭没命地砍钉。战斗持续了很长时间，雅典人终于未能坚持，在最后垮了下来。尼西阿斯无奈，只得率残部撤离战舰，向内陆退却。
海战是雅典人的优势，陆战则是斯巴达人的拿手好戏。在叙、斯联军的围追堵截下，雅典人一批批倒下。第6天早晨，联军包围了德谟斯提尼的6000名后卫，迫其投降，然后又追上尼西阿斯，双方主力发生激战，疲惫不堪的雅典人显然不是对手，结果尼西阿斯被俘，雅典军全军覆灭。
战后，叙拉古人和斯巴达人违背诺言，处死了尼西阿斯和德谟斯提尼，被俘的雅典士兵除极少数外，其余都被卖作奴隶。
西西里之战，雅典损失了近5万人，国力大损。从此以后，雅典海上同盟开始瓦解，称霸希腊的梦想化为泡影。