30 января 1563 года основные силы русской армии, преодолев за 21 день более 150 км от Великих Лук до Полоцка (в среднем получается около 7 км в день), подошли к стенам крепости. 2 февраля стрельцы приказов Василия Пивова и Ивана Мячкова первыми начали стрелять по городу. 3–4 февраля вокруг крепостных стен ставились легкие осадные укрепления — туры (плетеные цилиндрические емкости, вроде гигантских корзин, которые наполнялись землей). С русской стороны это сопровождалось игрой большого военного оркестра. Полочане стреляли со стен в осаждавших, но малоуспешно. 6–8 февраля в боевых действиях была взята пауза, во время которой прошли вялые переговоры о сдаче города, а русские устанавливали тяжелые осадные орудия. После безуспешных споров началась бомбардировка. Как писали современники, стоял такой орудийный гром, что «казалось, небо и вся земля обрушились» на Полоцк.
9 февраля огнем пожара был уничтожен посад. Неизвестно, загорелся ли он от русских ядер или был подожжен по приказу воеводы Ст. Довойны. Население попыталось укрыться в замке, но в нем не могли все поместиться, и более 11 тысяч человек (в основном беженцев из окрестных сел) по приказу воеводы были выгнаны в сторону осаждавших. Судьба несчастных была незавидной: пленных царь велел раздать воинам в качестве трофеев.
11 февраля осадная артиллерия, передислоцированная ближе к крепости, открыла огонь. Некоторые ядра, пробивая переднюю стену замка, пролетали его насквозь и ударялись в противоположную стену. Артиллерийским огнем было разрушено 40 укрепленных участков стены («городен») из 204. Стало ясно, что сопротивление бесполезно. 12 февраля отряд в 800 человек во главе с Довойной попытался пойти на прорыв, но был отброшен.
В ночь с 14 на 15 февраля стрельцы в нескольких местах подожгли стену замка и началась массовая бомбардировка из «пушек верхних» — мортир. Тогда полочане прислали гонцов с известием, что они сдаются. Утром 15 февраля из замковых ворот первой вышла процессия православных священников во главе с епископом Арсением. Они молили царя не трогать горожан. Царь дал слово, но сдержал его частично. Героически сражавшийся польский гарнизон был отпущен с развернутыми знаменами и оружием в руках. Польские командиры-ротмистры Мархель Хелмский, Альбрехт Верхлинский и Ян Варшевский получили от Ивана IV богатые дары — соболиные шубы, подшитые драгоценными тканями. А вот остальным жителям Полоцка впоследствии пришлось испытать прелести депортации. Кроме того, есть сведения, что после штурма были разысканы и убиты монахи-бернардинцы и евреи. Другими источниками эти убийства не подтверждаются. Мы здесь навсегда останемся в области предположений: в только что захваченном городе могло случиться всякое, равно как и могли появиться самые страшные слухи, не имевшие реального основания.
Каковы были людские потери при взятии Полоцка? Немецкая «Правдивая и страшная газета про ужасного врага Московита» пишет о 20 тысячах убитых полочан. Этрурский князь Космо сообщает уже о 50 тысячах. В письме анонима из Кракова во Флоренцию, ко двору Медичи, говорилось, что 16 тысяч убито при штурме, а 60 тысяч истреблено в окрестностях Полоцка. В ряде иностранных сочинений утверждалось, что Иван Грозный «…город целиком и полностью сжег до основания и 20 тысяч человек придал мучительной смерти на крючьях и виселицах». Цифры в 20–70 тысяч жертв фигурируют и в других немецких «летучих листках». Верить в столь огромные потери нельзя. Во-первых, население Полоцка в середине XVI века по достоверным данным составляло около 10 тысяч человек. Учитывая площадь города (а его границы установлены археологически), ни 20 тысяч, ни тем более 50 тысяч там разместиться не могли. Больших воинских контингентов в крепости накануне событий 1563 года не было. По наиболее достоверным данным, гарнизон состоял из 1600–2000 воинов Великого княжества Литовского и 400–500 поляков. Не было в городе и жителей округи, которые, как говорилось выше, оказались в плену. Погибших при штурме было немало, учитывая интенсивность обстрелов и пожаров, но, конечно, не достигало 10 тысяч.
Потери русской армии, если верить отечественным источникам, были незначительными: 4 сына боярских, 15 холопов-послужильцев и 66 стрельцов. Даже если эти цифры занижены, то все равно погибших было немного: прямых боестолкновений почти не было, и у литовцев отсутствовала тяжелая артиллерия. На крепостных стенах стояло 23 орудия разного качества и калибра (некоторые еще «Витольдовы», то есть начала XV века!), 4 мортиры и 87 крупнокалиберных крепостных ружей — гаковниц. Этим вреда многочисленной армии, укрытой за турами, не причинишь.