Встревоженный вторжением польской армии в пределы Московского государства, Иван Грозный пытался укрепить гарнизон Полоцка и его боевые возможности. Однако эти действия явно запоздали. В Полоцк из Пскова была направлена крупнокалиберная пищаль «Свиток», но до начала осады ее смогли довезти лишь до Себежа. Сопровождавшие орудие головы князь Василий Иванович Мещерский и Константин Дмитриевич Поливанов вынуждены были оставить «Свиток» в этом псковском пригороде. Между тем, наличие такой пушки в осажденной крепости могло серьезно повлиять на исход борьбы за Полоцк — нельзя забывать какую роль в позднейшей обороне Пскова сыграли подобные «Свитку» крупнокалиберные орудия «Барс» и «Трескотуха». Не смогло пробиться в Полоцк направленное туда в большой спешке войско под командованием Бориса Васильевича Шеина, Федора Васильевича Шереметева и подчиненных им младших воевод: князя Михаила Юрьевича Лыкова, князя Андрея Дмитриевича Палецкого и князя Василия Ивановича Кривоборского. Эта рать, усиленная отрядами донских казаков Юрия Булгакова и Василия Кузьмина Караваева, выступила из Пскова 1 августа 1579 г. Воеводам был вручен царский наказ пройти в Полоцк и укрепить его гарнизон. Иван IV не доверял полоцким воеводам, считая что они «худы и глупы». Его также беспокоила нехватка в Полоцке воинских людей. Вступив в Полоцкую землю, воеводы узнали о начавшейся осаде и полной блокаде Полоцка и, выполняя данные им на этот случай указания, укрепились в ближайшей к городу крепости Сокол.
Осада Полоцка поляками продолжалась три недели. В самом начале ее, оставив Стрелецкий острог, защитники города отошли в господствующий над ним Высокий замок, где войска Батория встретили серьезное сопротивление. Численность польской армии к тому времени не превышала 16 тыс. человек. Первоначально осаждающие пытались зажечь деревянную крепость артиллерийским огнем, обстреливая ее калеными ядрами. Но защитники города, возглавляемые воеводами князем Василием Ивановичем Телятевским, Петром Ивановичем Волынским, князем Дмитрием Михайловичем Щербатым, Иваном Григорьевичем Зюзиным, Матвеем Ивановичем Дьяком Ржевским и дьяком Лукой (в других документах — Лукьяном) Раковым успешно ликвидировали возникавшие пожары: рискуя жизнью, русские воины на веревках спускались со стен и тушили зажженные неприятелем участки стен. Именно в связи с этим Стефан Баторий сказал, что «в деле защиты крепостей они («москвитяне». —
Тяжелые потери понес и полоцкий гарнизон. Утратив веру в помощь русских войск, осажденные не полагались уже на защиту своих полуразрушенных укреплений. Тогда часть русских воинов во главе с воеводой Петром Волынским вступила с королем в переговоры, завершившиеся сдачей Полоцка на условии свободного выхода из него всем ратным людям. Отказавшиеся участвовать в переговорах воеводы укрылись в соборе Святой Софии и были пленены поляками после упорного сопротивления. Некоторые из добровольно сдавшихся в плен русских воинов позже перешли на службу к Баторию, получив во владение самые бесплодные в Литве земли. Но большинство служилых людей, несмотря на страх перед казавшейся неминуемой расправой со стороны Ивана Грозного, предпочло вернуться домой в Россию. Вопреки их опасениям славившийся свирепостью царь не тронул провинившихся воинов, ограничившись удалением на службу в пограничные города: Великие Луки, Заволочье, Невель и Усвят, защищая которые они могли искупить свой проступок.
1 сентября 1579 г. польский король вступил в Полоцк. Однако этот триумф не удовлетворил Стефана Батория, и военные действия были продолжены.