В конце третьей недели король созвал военный совет. Большинство воевод высказалось за то, чтобы немедленно идти на приступ, но Баторий не согласился. Он сказал:
«Если приступ не удастся, что тогда останется делать? Отступить со стыдом!»
Пообещав венграм большие награды, король уговорил их подобраться к крепости и зажечь деревянные стены сразу со всех сторон. В первый же солнечный день, 29 августа, венгры подобрались к стенам и зажгли их. Тогда десять парламентеров, посланных стрелецким головой Петром Волынским, спустились со стен, чтобы начать переговоры, но венгры убили их, поскольку не желали мирной сдачи, а хотели взять крепость приступом, чтобы получить возможность ограбить горожан и церкви. Поэтому венгры, не дожидаясь королевского приказа, кинулись в город сквозь пылавшие стены, за ними двинулась польская и литовская пехота. Однако защитники города к тому времени успели выкопать ров в том месте, где прогорела стена, встретили нападавших залпами из пушек и отогнали их.
Карамзин красочно описал эти события:
«Тут, воскликнув победу, вся дружина венгерская кинулась на приступ, не слушая ни своих вождей, ни короля. Осыпаемые ядрами, пулями, головнями, венгры сквозь пылавшие стены вломились в крепость; но россияне отчаянно стали грудью, резались, вытеснили неприятеля: он возвратился, усиленный толпами немцев, поляков, и снова уступил остервенению наших.
Сам король, забыв личную опасность, находился в сей кровопролитной битве, чтобы восстановить порядок, удержать, соединить бегущих. Час был решительный. Если бы Шеин, князья Лыков и Палецкий ударили на Литву, то могли бы спасти крепость. Они видели пожар, могли издали видеть самую битву и слышать громкий клик осажденных, призывный клик к своим братьям Сокольским… Но прозорливый Баторий занял дорогу: выслал свежее войско к Дриссе, чтобы остановить россиян в случае их движения к Полоцку. В то же время донские казаки изменили нашим воеводам в Соколе: самовольно ушли восвояси, к извинению Шеина и его товарищей. Стефан ждал весь день, всю ночь опасного их нападения; успокоился и спешил загладить неудачу.
Отбив приступ, россияне погасили пожар в крепости: неприятель сделал новые бойницы, новые окопы, приблизился к стенам, отчасти разрушенным, и калеными ядрами опять зажег башни. Еще несколько дней упорствовали осажденные; едва могли дышать от дыма и жара; падали от литовских ядер, от усталости, непрестанно гася огонь; ждали помощи, освобождения; наконец, утратив всю бодрость, требовали переговоров».
На следующий день пожар возобновился, а орудия осаждавших повели обстрел внутренней части укреплений. Тогда Волынский снова послал людей для переговоров. На этого раз они состоялись, и город был сдан с условием свободного выхода из него всем ратным людям.
В московских Разрядных книгах так сказано о капитуляции города:
«Король Стефан взял Полоцк изменою, потому что изменили воеводы, что были худы, а милы были им жены, а как голов и сотников побили, то воеводы город сдали, а сами били челом королю в службу с детьми, с людьми и со стрельцы. Всего воинского люду в Полоцке было 6000. Сдал Полоцк королю Петр Волынский со стрельцами».
Вот что писал по этому поводу Гейденштейн: