Удар оказался для короля Сигизмунда совершенно неожиданным. Вооруженные силы Великого княжества Литовского оказались не в состоянии отразить вторжение. Король вообще ограничился заявлениями о великом испытании и моральной поддержке, гетман Литвы Миколай Радзивилл начал собирать полки, но под Полоцк им было не успеть. К моменту начала осады в наличии было всего две тысячи литовских воинов и 400 поляков. Городской гарнизон оказался брошен на произвол судьбы. Положение воеводы Полоцка Станислава Довойны осложнялось еще и тем, что под защиту городских стен прибыло несколько тысяч беженцев из всей городской округи. В случае долгой осады это означало, что запасов продовольствия хватит ненадолго и помощи Радзивилла можно и не дождаться.
Иван Грозный отправил в Полоцк посла с предложением сдачи и перехода в подданство России на тех условиях, на которых захотят сами полочане. Горожане посла убили. 30 января 1563 года сам царь ездил осматривать будущий театр боевых действий, а 31 января началась расстановка полков вокруг крепости для осады и штурма. Первоначально предполагалось атаковать укрепления по льду реки Полоты, со стороны водоема, где они были слабее, чем со стороны поля. Но на Полоте оказался слишком тонкий лед, и гнать по нему пехоту и конницу под огнем неприятельской артиллерии было рискованно. Тогда полки были сосредоточены против городских стен полоцкого посада. Им было приказано строить из дерева и земли осадные укрепления – туры. За турами размещали осадную артиллерию.
Первая попытка штурма была предпринята 5 февраля. Стрельцы под командованием Ивана Голохвастова подожгли крепостную башню над Двиной, взяли ее и вошли в острог. Однако не удержались в городе и отступили. До вечера 5 февраля Полоцк обстреливала легкая и средняя артиллерия. Крупнокалиберные орудия еще не были установлены на позициях. Однако хватило легких и средних: полочане запросили переговоров о сдаче.
Переговоры, длившиеся с 6 по 8 февраля, получились странными. С одной стороны, оба противника сознательно тянули время. Русским надо было установить на позициях тяжелую артиллерию, а воевода Довойна рассчитывал на прибытие Радзивилла. С другой – успех на переговорах был все же возможен: в Полоцке была довольно влиятельная прослойка православного населения, готового на компромисс с московским царем. Для Ивана IV было бы даже значимей, если бы Полоцк склонил свою голову без боя: это бы означало, что деморализованное население Великого княжества Литовского готово признать власть православного государя.
В итоге переговоры закончились неудачей. Довойна так и не смог решиться на принятие русских условий, а московские воеводы за время переговоров успели подвести туры под самые городские стены и изготовить к стрельбе тяжелые орудия. 8 февраля переговоры были прерваны и заговорила артиллерия. Как писали современники, начался такой пушечный гром, что, «казалось, небо и вся земля обрушились» на Полоцк. Крупнокалиберные ядра буквально взламывали стены, разрушали строения в городе. На посаде вспыхнул страшный пожар, уничтоживший почти три тысячи дворов. По разным данным, возгорание случилось или от огня русской артиллерии, или от поджогов, сделанных по приказу воеводы Довойны. Воевода решил отвести свои силы в замок, а для этого будто бы и приказал сжечь посад. Так или иначе, одновременно с пожаром начался второй штурм города. Русские дворяне под командованием Д. Ф. Овичины и Д. И. Хворостинина, пройдя через пылающие улицы, «втоптали» польский гарнизон в замок, но взять его не смогли.
Таким образом, к 9 февраля город был частично взят. Жители начали сдаваться. С 9 по 11 февраля тяжелая артиллерия и туры переносились «на пожженное место», на пепелище полоцкого посада, к стенам замка. Непрерывный огонь длился несколько суток. Его интенсивность достигала такой силы, что отдельные ядра пролетали территорию замка насквозь и ударялись в противоположную стену изнутри. Горожане прятались от огня в погребах. Гарнизон занимался не обороной, а тушением очагов пожаров. Но их было слишком много, и в конце концов полоцкий замок оказался объятым пламенем. Артиллерийским огнем было разрушено 40 укрепленных участков стены из 204, составлявших укрепления замка. Было очевидно, что падение полоцкой цитадели – только вопрос времени.
Защитники Полоцка вели себя мужественно, даже делали вылазки, чтобы разрушить русские осадные укрепления. Сделать этого не удалось, зато после каждой контратаки силы оборонявшихся таяли. Утром 15 февраля 1563 года городские ворота открылись, и из них вышла процессия православных священников во главе с епископом Арсением. Так Полоцк объявил о своей сдаче. В результате переговоров, длившихся до вечера, Иван Грозный пообещал не трогать защитников города. После достижения договоренности о правилах сдачи навстречу русским полкам из Полоцка вышло «3907 мужского полу, а жонок и девок 7253 и обоего [пола] 11 160 человек».