Вообще вместо варварского опустошения страны, совершенного при первом нашествии русского войска на Ливонию, теперь началось постепенное завоевание городов и замков с очевидною целью прочно в ней утвердиться. В то время как одно войско действовало к северу от Чудского озера, т. е. в Эстляндии, другое войско выступило из Пскова под начальством князя Петра Шуйского, двинулось мимо южной части Чудского озера, вторглось в собственную. Ливонию, осадило пограничный замок Нейгаузен и, окружив его турами, громило частою пальбою из пушек и пищалей. Обороняемый храбрым рыцарем Иксулем фон Паденорм, Нейгаузен задержал русских почти на целый месяц; но, не получая ниоткуда помощи, наконец сдался, причем гарнизон выговорил себе свободный выход из крепости. В это время магистр ордена с 8000-м войском стоял лагерем неподалеку, именно около Киремне, на дороге между Нейгаузеном и Дерптом. Лагерь его был защищен со стороны русских рекою и болотами. Он еще окопался и принял выжидательное положение, не решаясь напасть на осаждавшее войско; когда же Нейгаузен пал и русские двинулись на самого магистра, он поспешил снять лагерь и ушел к Валку. Находившийся в его войске дерптский епископ Герман Вейланд с своим отрядом поспешил в Дерпт, причем задняя часть его отряда была настигнута русскими и побита. Местное земское рыцарство собралось было в Дерпт по призыву епископа, как своего ленного владыки; но когда приблизилось русское войско, большая часть рыцарей покинула город и спаслась в западные области. Кроме того, в эту критическую минуту в городе поднялась распря между католиками и протестантами. Католики громко говорили, что русская гроза ниспослана на Ливонию за отступление ее от истинной веры. Когда собрался городской совет и рассуждал о том, что предпринять в виду близкой осады, послышались разные мнения: одни советовали обратиться за помощью к Швеции, другие к Дании, третьи к Польше. На помощь германского императора не было никакой надежды, так как после отречения Карла V брат и преемник его Фердинанд был слишком озабочен собственными делами и особенно враждебными отношениями турок, чтобы думать о Ливонии. Посреди разногласия выступил бургомистр Антоний Тиле и со слезами на глазах начал увещевать собрание, чтобы оно оставило всякие расчеты на помощь извне, а лучше обратилось бы к собственным средствам обороны. Он предлагал принести все частное достояние на защиту отечества, продать все золотые и драгоценные украшения их жен, чтобы нанять войско, а вместе с ним и самим единодушно выступить против неприятеля. Но речь этого ливонского Минина была голосом вопиющего в пустыне.
Прежде чем осадить Дерпт, русские взяли еще несколько замков, каковы Костер и Курславль. Окрестные сельские жители, ненавидя своих немецких господ, приходили к воеводам и добровольно принимали русское подданство. Воеводы обращались с этим туземным населением мягче, тогда как с немцами поступали жестоко.
В июне русское войско явилось под Дерптом и начало возводить вокруг него валы и устанавливать пушки, после чего принялось осыпать город ядрами. Главная опора осажденных заключалась в двухтысячном немецком отряде, присланном из Германии. Около двух недель длилась осада и пальба по городу. Гарнизон сначала защищался храбро и делал частые вылазки. Но бедствия осады и малое число защитников скоро поколебали мужество граждан. Шуйский искусно завязал переговоры, предлагая самые льготные условия сдачи. Несколько раз осажденные просили сроку для размышления, стараясь между тем известить магистра о своем крайнем положении; но когда от него вместо помощи получено было письмо с обещанием молиться Богу за осажденных, епископ и граждане пришли в уныние и решились сдаться. При сем они выговорили себе следующие условия: епископ остается во владении своими имениями и получает для жительства ближайший монастырь Фалькенау, дворяне удерживают свои земли, граждане сохраняют свободу Аугсбургского исповедания, городовое самоуправление и свои торговые и судебные привилегии; кто пожелает, может выехать с имуществом из города, а военные люди и с оружием; вывода в Россию не будет, и русские ратные люди не будут иметь постоя в домах обывателей. При занятии города русским досталось в добычу большое количество пушек, пороху и других военных припасов; но Шуйский строго наблюдал, чтобы ратные люди не обижали жителей, и своим ласковым обхождением вообще снискал благодарность и доверие побежденных. Царь подтвердил условия сдачи только с небольшими исключениями, касавшимися судебных привилегий; при сем дал дерптским гражданам право беспошлинной торговли в Новгороде и Пскове. Чтобы закрепить за Россией Юрьевскую область, он начал раздавать в ней поместья боярским детям, а епископа и некоторых граждан переселил в Москву. Дерпт тотчас переименован был русскими в свое древнее имя Юрьева; в нем стали возобновлять старые русские храмы, а потом царь учредил особое православное Юрьевское епископство.