Последние дни перед штурмом поляки усиленно обстреливали крепостные стены и смогли пробить небольшую брешь. Однако штурмовать крепость решили со всех сторон. Для подъема на стены уже давно были заготовлены 80 штурмовых лестниц, «такой ширины, чтобы пять и шесть человек могли всходить рядом, а длиной, как самые высокие в лесу деревья». Вечером 2 июня четыре штурмовых отряда, по 600—700 человек в каждом, заняли исходные позиции. Ровно в полночь запорожцы тихо подошли к восточной стене, незаметно взобрались по лестницам и начали расходиться по стене, занимая башни. В это время ландскнехты проникли через брешь, пробитую пушками. Здесь их встретили несколько десятков смоленских воинов во главе с Шейным. На стене тоже завязался бой, русские рубились отчаянно, и запорожцы начали сходить со стены. Казалось, дело поляков проиграно, и тут Новодворский зажег порох, подложенный под сток в северной стене. Взрыв обрушил часть стены и в пролом устремились литовцы маршала Дорогостайского. Малочисленные защитники пали на стенах и в уличных схватках.
В Смоленске вспыхнул пожар, солдаты всех подряд грабили и убивали. Горожане пытались затвориться в Успенском соборе, где вел службу архиепископ Сергий, но озверевшие солдаты выбили двери и начали людей рубить и живых хватать. Сергия, хотевшего остановить избиение, ранили и захватили в плен. Тогда посадский Андрей Беляницын взял свечу, спустился в подвал собора и запалил бочки с порохом, весь пушечный запас. Был сильный взрыв, и множество людей, русских и поляков, побило. Король польский ужаснулся и приказал прекратить избиение горожан. Между тем Шеин с женой, маленьким сыном, воеводой Горчаковым и несколькими дворянами заперся в Коломенской башне. Ландскнехты пытались туда ворваться, но были отбиты. Шеин сам застрелил с десяток солдат. Разъяренные немцы готовились к новому приступу. Тут появился гетман Яков Потоцкий и стал призывать пощадить свои жизни и сдаться. Близкие Шеина упрашивали его, и раненый воевода, наконец, согласился.
Урожай польской победы
. Сигизмунд встретил Шеина сурово. Его подвергли допросу и, как утверждает «Новый летописец», пытке. Последнее сомнительно: Михаил Борисович был боярского рода, герой в глазах поляков, вдобавок раненый. Его могли держать в оковах и изводить допросами, но не пытать, ибо это нарушало привилегии знатных, на чём держалась Речь Посполитая. При всей ненависти к Шеину Сигизмунда магнаты пыток бы не допустили. Шейным восхищался сын Сигизмунда, Владислав, а геройский кавалер Новодворский стал его другом. Во время допроса воеводу спросили: «Кто ему советовал и помогал так долго держаться в Смоленске?» Шеин отвечал: «Никто особенно, потому что никто не хотел сдаваться». Ответ Шеина содержит и ключ к отгадке, почему Россия выстояла в страшном 1611 г. Ведь поляки и их приспешники захватили Москву и пол-России, а шведы — Новгородчину. Но именно тогда до народа дошло, что перед ними захватчики, а не помощники правильного царя. А против захватчиков русские неодолимы.Для смолян нужды в прозрении не было: как жители пограничья, они знали хищнические интересы поляков, знали, что такое воинствующий католицизм и не верили словам Сигизмунда о защите православной веры. Поляки, ссылаясь на перебежчиков, писали, что Шеин силком всех принуждает терпеть муки осады. На самом деле сами смоляне не хотели сдавать крепость. Их массовое непокорство польскому королю подтверждают факты. После штурма в Смоленске осталось около четырех тысяч жителей. Король Сигизмунд разрешил уйти всем, кто не хочет перейти на королевскую службу. Почти все и ушли. Так же поступили жившие в поместьях дворяне Смоленской и Северской земель. Весной 1611 г. они собрали ополчение, чтобы «Смоленску помощь учинити и полского короля отогнати». На подавление восстания король «посла роты и повеле дворян побивати». Но тут пал Смоленск, и дворянам оставалось присягнуть Сигизмунду и сохранить поместья либо нищими уйти в разоренное Московское государство. Смоленские дворяне предпочли уйти. Как пишет Б.Ф. Флоря: «По окончании Смуты на королевской службе осталось не более десятка смоленских детей боярских».
Осада Смоленска дорого стоила Сигизмунду — погибло две трети армии (по некоторым оценкам, свыше 30 тыс. человек). Больше других пострадали ударные части: из 2000 немецких ландскнехтов уцелело меньше 400. Оставшиеся в живых солдаты желали вернуться домой, к тому же у Сигизмунда кончились деньги. Король сдал командование остатками войск Карлу Ходкевичу и вернулся в Варшаву принимать триумф но поводу взятия Смоленска, пленения Шуйского и победы над Россией.