После изгнания спартанцев из проливов руководивший военными операциями афинян Алкивиад не стал тратить время на осаду хорошо укрепленного Византия. Он поступил проще, организовав в наиболее узком месте Босфора, к северу от Византия, у Хрисополя на азиатском берегу пролива, хорошо укрепленную таможню. Место было выбрано на редкость удачно. Течение было здесь таково, что шедшие через пролив суда относило к азиатскому берегу. Таможня взимала десятипроцентную пошлину со стоимости товаров, находившихся на судах, следовавших через Босфор в любом направлении. Примечательно, что доход, который приносила Афинам морская таможня, почти в десять раз превышал сумму ежегодного фороса, вносившегося византийцами. А это означает, что через проливы проходило великое множество судов. Деятельность таможенной службы находилась под охраной постоянно крейсировавшей в Босфоре эскадры из 30 афинских кораблей. Так остроумно решил Алкивиад важную и сложную проблему. Доходы от транзитной торговли через проливы вновь оказались в руках афинян, а для спартанцев был утрачен смысл обладания Византием.
В 409 г. до н. э., после того как Алкивиад, разбив войско персидского сатрапа Малой Азии Фарнабаза, восстановил власть Афин в Калхедоне, его флот двинулся к Босфорскому мысу. Началась осада Византия. Город находился под защитой своих неприступных стен, а спартанский наместник Клеарх располагал сильным гарнизоном. Кроме того, Клеарх обратился за помощью к Фарнабазу, а затем попытался собрать эскадру, надеясь разбить афинян на море и тем самым прорвать кольцо блокады. Но все эти меры не принесли успеха, и осада продолжалась. Вскоре в блокированном с моря и с суши городе начался голод. Имевшиеся в Византии запасы продовольствия спартанцы конфисковали для нужд гарнизона. Голод усилил антиспартанские настроения византийцев, и без того страдавших из-за создания афинянами морской таможни в Хрисополе. Число горожан, готовых вновь поддержать афинян, оказалось достаточно значительным, чтобы этот фактор заметно повлиял на военные действия.
Тем временем Алкивиад решил прибегнуть к военной хитрости. Афиняне сделали вид, что сняли осаду; корабли Алкивиада начали уходить от берегов Золотого Рога. Когда же наступила ночь, они вернулись и предприняли ложную атаку на стоявшие в гавани суда. Внимание гарнизона было привлечено к стенам, защищавшим город со стороны моря. Именно на это и рассчитывал Алкивиад. Его византийские союзники открыли ворота в стене, ограждавшей город со стороны суши. Афинские воины ворвались в Византий. На улицах разгорелась жестокая битва, в которой приняли участие и расколовшиеся на два лагеря византийцы — сторонники афинян и спартанцев. Чтобы привлечь на свою сторону всех жителей Византия, Алкивиад объявил, что в случае прекращения сопротивления никто не будет наказан победителями. В результате на сторону афинян перешли почти все византийцы, спартанский гарнизон был уничтожен. Завоевание Византия предопределило установление власти Афин и над другими городами Геллеспонта. Контроль над проливами вновь оказался в их руках.
Период пребывания Византия под властью Афин был очень недолгим — всего около четырех лет. В конце Пелопоннесской войны спартанцам удалось установить свое господство на берегах Эгейского моря и Пропонтиды. В 405 г. до н. э. Византий оказался в числе тех городов, которые были захвачены флотом спартанцев под командованием Лисандра. На этот раз в Византии взяли верх представители олигархии. Именно они открыли ворота воинам Лисандра. Поскольку спартанцы повсеместно уничтожали демократию и восстанавливали власть олигархов, часть населения Византия, поддерживавшая демократический строй, покинула город после вступления в него отряда Лисандра, бежав либо в Афины, либо в дружественное Византию Боспорское царство.
Своеобразным было решение победителей относительно судьбы небольшого афинского гарнизона Византия, не оказавшего практически сопротивления спартанцам. Лисандр отправил всех пленных афинян в их родной город, продовольственное положение которого было в тот момент весьма бедственным.