Пушки били без перерыва на протяжении нескольких суток. Московские ядра уничтожили 20 процентов замковых стен, превратив их в подобие стариковской челюсти с выпавшими зубами. Гарнизон оказался принужден одновременно защищать крепость, чинить стены и тушить пожары. Довойна устроил отчаянную вылазку, но наши ее отбили. За всю осаду русская армия потеряла менее ста бойцов, хотя защитники и нападающие как минимум трижды вступали в рукопашный бой. Таким образом, положение обороняющихся стало безнадежным, в то время как московские полки, понеся лишь незначительные потери, готовились к решающему штурму. Его начало планировали на 15 февраля.
Но в этот день полоцкий воевода утратил твердость духа. Он сдал городское знамя и отправил епископа со священниками за ворота, чтобы те уговорили Ивана IV начать переговоры о капитуляции замка. Царь захотел вести их только с самим Довойной, и тот отправился в русский стан, где смог выторговать лишь одно условие — жизнь. Уже после сдачи, по некоторым источникам, поляки попытались наперекор достигнутому соглашению организовать оборону. Однако и они в конце концов оставили позиции, когда царь пообещал отпустить их, беспрепятственно проведя со всем имуществом сквозь ряды московских полков. Обещание русская сторона впоследствии добросовестно выполнила.
Великий град Полоцк пал к ногам Ивана Васильевича. Вкупе с территорией была взята богатая добыча. Поселение на шестнадцать лет стало частью Московского государства. Иван IV добавил к своему титулу звание "великий князь Полоцкий". Государь оставил в крепости значительный русский гарнизон во главе с воеводами-ветеранами — князьями Петром Ивановичем Шуйским, Петром Семеновичем и Василием Семеновичем Серебряными, повелев возвести новые, более мощные укрепления. Полоцкая шляхта, а потом и мещане отправились под охраной в Москву. Впоследствии часть полоцких шляхтичей обменяли на русских пленников, другую же часть отдали за выкуп — обычная для войн того времени практика. После сдачи Полоцка, очевидно, в ходе разграбления его войсками победителя, пострадало католическое духовенство. Было также казнено несколько представителей иудейской общины, не пожелавших креститься.
Взятие Полоцка стало величайшим успехом русского оружия за всю Ливонскую войну, пиком военных достижений России на протяжении XVI века и к тому же личным триумфом Ивана IV. Лебедевская летопись, служащая основным источником по истории Полоцкого взятия, в этом месте представляет собой запись очевидца. По всей видимости, заготовку для летописного текста составил участник событий, скорее всего дворянин Михаил Безнин. Так вот, Иван Васильевич представлен здесь как абсолютно самостоятельный в своих решениях полководец, полновластный хозяин армии, к тому же смелый человек, попадавший во время Полоцкой кампании в рискованные ситуации, но не терявший присутствия духа. Со времен Казани многое изменилось…
Иван Васильевич отправил было в направлении Вильно татар — развивать успех Полоцкого взятия, однако боевые действия вскоре прекратились: литовцы запросили перемирия и получили его. Для Великого княжества Литовского падение Полоцка было как гром с ясного неба. В долгосрочной перспективе оно инициировало процесс политического сближения Польши и Литвы, закончившийся их объединением в 1569 году. А в краткосрочной — польский король Сигизмунд II Август вынужден был пойти на уступки литовско-белорусской православной шляхте, уравняв ее в правах со шляхтой католической (жалованная грамота от 7 июля 1563 года). В этом акте видно стремление сплотить все наличные силы для дальнейшей борьбы с Московским государством. Известие об успехе Ивана IV прокатилось по половине Европы, вызывая тревогу. Наоборот, в России полоцкую победу долго помнили и гордились ею. Сведения о Полоцком взятии 1563 года вошли во многие летописи, в том числе и в краткие летописцы (сборники наиболее интересных произведений).
Однако Иван IV недолго радовался своему триумфу. Уже следующий, 1564 год крепко подпортил впечатление и от Полоцка, и от всей войны, начавшейся столь удачно.
Русский корпус, двинувшийся в пределы Литовской Руси, был разбит на реке Уле (январь 1564 года). Разгром вышел ужасный, потери оказались очень велики. Среди главных воевод были князь Петр Иванович Шуйский и боярин Иван Васильевич Шереметев — опытные, заслуженные, доверенные люди. Но в этот раз они явно оплошали и покрыли свое имя позором. Сам Шуйский погиб; воевод Захария Ивановича Очина-Плещеева и князя Ивана Петровича Охлябинина литовцы пленили.
В апреле того же года сбежал в Литву князь Андрей Михайлович Курбский. Впоследствии он участвовал как один из командиров в литовских походах против Московского государства, и первый раз это произошло всего через несколько месяцев после его побега. В том же году воевод стародубских заподозрили в сговоре с целью передать город великому князю Литовскому; дело кончилось для них казнями. Литовские войска вторгались на исконно русские территории. Осенью крымцы совершили опустошительный набег на рязанские земли.