Через некоторое время разведчики донесли, что гетман собирает продовольствие в северных областях и хочет вновь прорваться к Кремлю. Чтобы его нападение не стало неожиданностью, Трубецкой и Пожарский приказали местным крестьянам окопать их лагерь рвом и обнести изгородью. Кроме того, специальным отрядам было поручено круглосуточно охранять эти укрепления.
Положение московского гарнизона и людей, находившихся в Кремле и Китай-городе, оказалось поистине бедственным: продовольствие и боеприпасы не поступали, а собственные средства к существованию давно уже были исчерпаны. В летнее время питались кореньями и зеленью с небольших огородов. Наступавшая осень сулила лишь новые бедствия: холод, голод, болезни и смерть.
Вскоре осажденные стали употреблять в пищу собак, кошек, мышей, ворон и даже человечину. Изголодавшиеся гайдуки по ночам подстерегали одиноких прохожих, нападали на них, тут же освежевывали трупы и жарили их на костре. Иногда тела убитых людей солили в больших чанах и заготавливали впрок.
Кроме поляков в Кремле и Китай-городе находилось много русских людей: видных бояр, представителей высшего духовенства, купцов и ремесленников. Среди них оказался и будущий царь — Михаил Федорович Романов вместе с матерью. Для них это было уже третье тяжелое испытание — первое они пережили в ссылке, куда их отправил мнительный и жестокий Борис Годунов в 1601 году, второе — во время осады Москвы тушинцами.
С сентября ополченцы начали готовиться к решающему штурму осажденных крепостей. К этому времени Трубецкой и Пожарский установили орудия у главных ворот Китай-города и сосредоточили вокруг него свои отряды. Несколько раз предпринимались попытки штурмовать Китайгородские стены. Наконец, 22 октября мощная атака увенчалась успехом. Уже немногочисленные воины польского гарнизона с боями отошли за кремлевские стены. Их начальник, пан Струсь, сознавая бесперспективность дальнейшего сопротивления, вынужден был вступить в переговоры о капитуляции.
Поскольку в Кремле находилось немало знатных женщин с детьми, договорились, что уже 24 октября они покинут крепость. Истощенные, едва живые от голода они вышли на мост, соединяющий Кремль с остальной городской территорией. Трубецкой и Пожарский тут же взяли всех под свое покровительство, поскольку знали, что казаки готовились к грабежам. Женщинам с детьми было позволено отправиться в свои имения для поправления здоровья.
Еще через день, 26 октября, сдался польский гарнизон с «седьмочисленными» боярами. Первыми из ворот Кремля вышли Ф. И' Мстиславский, Ф. И. Шереметев, Б. М. Лыков и И. Н. Романов. Все они едва передвигали ноги от голода, а у Мстиславского при этом была перевязана голова. Согласно его версии, досталось ему от поляков, поскольку он давно призывал их к капитуляции.
Казаки попытались было расправиться с «боярами-изменниками», но руководители ополчений не позволили им это сделать. К знатным людям приставили охрану и отправили их в ставку полководцев. Купцов и торговых людей взял под свое покровительство Кузьма Минин.
Все тычки, тумаки и оскорбления достались только полякам, хотя и их охраняли, как военнопленных, ведь согласно условиям капитуляции сдавшимся гарантировалась жизнь.
После того как Кремль был полностью очищен от интервентов и всех их взяли под стражу, был устроен грандиозный праздник. Ранним утром представители высшего духовенства во главе с ростовским митрополитом Кириллом и троицким архимандритом Дионисием собрались на Красной площади вместе с москвичами.
Воины Д. Т. Трубецкого в парадной одежде выстроились возле церкви Казанской Божией Матери у Покровских ворот. Ополченцы Д. М. Пожарского собрались у церкви Иоанна Милостивого на Арбате. Затем по сигналу колоколов обе колонны двинулись к Красной площади. Священники и монахи, сопровождавшие ополченцев, несли чудотворные иконы и кресты, воины — свои знамена. Все вместе пели псалмы, воздавая хвалу Богу за дарование победы.
Когда ополченцы собрались у Лобного места, архимандрит начал молебен. После него из ворот Кремля вышли представители кремлевского духовенства во главе с архиепископом Арсением. Они несли самую почитаемую на Руси икону Владимирской Божией Матери, а также образа московских митрополитов Петра, Алексея и Ионы. Увидев святыни, ополченцы упали на колени, прослезились и стали восклицать:
«О, Всенепорочная Мать Владыки Христа Бога нашего! Если бы не Твои молитвы, нам бы не освободить град наш от люторского и латинского плена. Спасибо, что позволила нам лицезреть пречистый образ Твой и наш царствующий град, который мы вернули себе Твоими молитвами!»
После этого собравшиеся с молебным пением медленно и чинно проследовали через Спасские ворота в Кремль. Первым они посетили Успенский собор, потом — Архангельский и в завершение — Благовещенский.