Непрыкметна аб’ехаўшы горад з канцлерам Янам Замойскім і ваяводам Каспарам Бекешам, Батура расставіў збройную сілу наступным чынам. На правым фланзе бераг Дзвіны насупроць Запалоцця занялі Бекешавы вугорцы. Ліцьвіны-беларусы Мікалая Радзівіла стаялі ад Дзвіны да бязлюднага Спасаўскага манастыра. За Палатою ад манастыра да Валовага возера размясціліся палякі з велікакняжацкаю стаўкаю. Левы фланг ад возера да Дзвіны трымалі нямецкія палкі. Аблога пачалася з артылерыйскага абстрэлу Запалоцкага пасада. Стральцы пакінулі яго і перабраліся па мосце ў Верхні замак. Адступаючы, яны з чатырох бакоў падпалілі пасад, дзе жыло мірнае насельніцтва, і за колькі гадзін Запалоцце дашчэнту выгарэла.
Каспар Бекеш (дарэчы, вальнадумца, які не вызнаваў ніякай рэлігіі, і асабісты сябар вялікага князя) бамбардаваў Верхні замак, але ядры адно прабівалі сцены, не разбураючы іх. Не меў поспеху і абстрэл ядрамі, папярэдне распаленымі на агні. Знаходзілася нямала смельчакоў, якія, набраўшы сухіх смаляных дроў, пераходзілі ўброд Палату, пад градам куляў і бярвення караскаліся да замкавых сценаў і падпальвалі іх. Абаронцы спускаліся па вяроўках, гінулі адзін за адным, ды ўсё ж паспявалі патушыць агонь. Аддаючы належнае ворагу, Батура пісаў, што «маскавіты ў абароне фартэцаў стойкасцю і мужнасцю пераўзыходзяць усе іншыя нацыі».
Цар Іван паслаў пад Полацк адборную частку войска з ваяводамі Барысам Шэіным і Фёдарам Шарамецьевым. Тыя дайсці да горада не здолелі і спыніліся ў замку Сокал, адкуль нападалі на дзісненскую дарогу, па якой каралеўскім палкам падвозілі правіянт.
Полацкая аблога была неверагодна цяжкая. Штодня ліло з неба, і па войску паўзлі чуткі, нібыта дождж пасылаюць чараўнікі, якіх у Масковіі надзіва багата. У сваім намёце не мог знайсці сухога месца нават вялікі князь і кароль. Абозы з харчам захрасалі ў глыбачэзнай гразі, коні падалі ад знямогі, і ў лагеры абложнікаў запахла голадам. Польская ды вугорская пяхота ела дохлых коней, немцы хварэлі на крываўку. Найбольш стойка трымаліся ліцьвіны-беларусы: ім прыспорвала сілы прага помсты за сваю здратаваную зямлю.
Жаўнеры не хацелі болей пакутаваць і рваліся на прыступ: здабыць Полацк або загінуць. Батура меў свой план. Герольды апавясцілі ўказ: хто падпаліць замак так, каб яго ўжо не патушылі, атрымае па-каралеўску шчодрую ўзнагароду. Дзесяткі ваяроў узброіліся вязкамі сухой лучыны і падаліся да полацкіх сценаў. Фартуна ўсміхнулася нейкаму львоўскаму майстру-медніку, які апрача лучыны цягнуў на плячах кацёл з жарам. Ён падпаліў кутнюю вежу, адкуль вецер перакінуў моцнае полымя на сцены. Гэта здарылася ў першы за ўсю аблогу сухі і сонечны дзень.
Сцяпан Батура надаў параненаму стрэламі герою шляхецкую годнасць, прозвішча Палацінскі (ад ракі Палаты) і адпаведны герб: працятая стралою рука з паходняй.
Гарнізон думаў пра капітуляцыю і дзесяць маскавітаў спусціліся са сцяны на перамовы. Бекеш паслаў пяцярых парламенцёраў да Батуры, але вугорскія жаўнеры пасеклі іх, бо разлічвалі на багатую здабычу, а таму хацелі не добраахвотнай здачы горада, а прыступу.
За дзень значны кавалак замкавай сцяны згарэў. Вялікі князь адклаў вырашальны бой да раніцы, аднак Батуравы суайчыннікі, падагрэтыя аповедамі пра полацкія скарбы, не маглі больш утаймоўваць сябе і самахоць пайшлі на прыступ. Яны тройчы за ноч кідаліся на Верхні замак і тройчы адкочваліся назад. У запале штурму прычынілася крывавая сутычка паміж імі і палякамі.
Уначы абложнікі пусцілі чырвонага пеўня яшчэ на адну вежу і падкапаліся ўсутыч да сценаў. Ваявода Пётр Валынскі паведаміў, што залога складзе зброю, калі Батура захавае ўсім жыццё. Вялікі князь паабяцаў даць свабодны праезд таму, хто захоча вярнуцца дахаты, і права вольна жыць у Полацку таму, хто пажадае застацца.
Іншыя царскія ваяводы і пастаўлены Масквою епіскап Кіпрыян паспрабавалі ўзарваць Верхні замак, але самі ж стральцы не дапусцілі гэтага. Баючыся кары за здачу горада, ваяводы і ўладыка зачыніліся ў Сафійскім саборы, адкуль пераможцы выводзілі іх жывасілам. Разам з Верхнім замкам здаўся і Стралецкі.
У маскоўскіх Разрадных кнігах пра капітуляцыю горада запісана так: «Король Стефан Полотск взял 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».