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».
Свое слово государь сдержал частично. Героически сражавшийся польский отряд был отпущен с развернутыми знаменами и оружием в руках. Командиры-ротмистры получили от Ивана богатые дары – соболиные шубы, подшитые драгоценными тканями. Репрессии сперва не коснулись и городских жителей православного или католического вероисповедания, однако затем часть горожан была уведена в Москву, в плен. Согласно ходившим в Литве слухам, вошедший в Полоцк татарский отряд вырезал попавшихся под руку монахов-бернардинцев. А полоцкие евреи, не пожелавшие принять крещение, были утоплены в реке. Так ли это – неизвестно, но современники из уст в уста передавали страшные «легенды о полоцких казнях» русского царя.
В городе был оставлен русский гарнизон во главе с князьями И. П. Шуйским, П. С. Серебряным и В. С. Серебряным. 27 февраля Иван IV покинул свои новые владения и пошел к Москве.