В авангарде московских войск, наступавших на Вильню, шли полки воевод Прозоровского и Щербатова, при поддержке казаков Ивана Золотаренко. Возле Ошмян между ними и 3-тысячным отрядом шляхетской конницы и пехоты Григория Глебовича произошел бой, в результате которого литовский отряд бежал. От взятых литовских пленных стало известно, что в Вильно накануне заседал сейм, который объявил посполитое решение, шляхта всех поветов стала срочно съезжаться в Вильно для организации обороны города и стратегии сражения с войском Московского царя.
В самом конце июля московские ратники сосредоточились на подступах к Вильно у местечка Стадолакты, им противостояли сильные свежие войска Радзивилла и Гонсевского общим числом около 10 тысяч человек. Но воеводы Гонсевский и Радзивилл никак не могли договориться друг с другом о стратегии обороны города и выборе места сражения. К тому же нерешенным оставался вопрос: что же делать с жителями города?
В это время из Вильно срочно эвакуировались зажиточные горожане, в первую очередь, особенно еврейские семьи. Наконец, воеводы договорились насчет стратегии обороны и решили обложить жителей Вильно «оборонным налогом», при этом с горожан собрали военный оборонный налог свыше 100 тысяч злотых. Это была большая сумма, но явно недостаточная для организации долговременной успешной обороны Вильно.
Чтобы избежать разрушения города, виленский православный епископ Рафаил обратился к московским воеводам с предложением о мирной сдаче города в обмен на сохранение прав и привилегий обывателей города, и православных, и католиков. Крупные шляхетские магнаты Вильно Глебович, Сапега и другие тоже соглашались признать власть царя Тишайшего, если он сохранит за богатой шляхтой города и поместья, другие владения, все старинные права и привилегии. К этим «православным» предложениям присоединилась и католическая церковь. Но царь Алексей Михайлович, посоветовавшись со своими воеводами и боярами, их не принял.
Утром 29 июля сторожевые роты Радзивилла за городом столкнулись с передовыми частями московских войск и стали поспешно отступать к основным литовским войскам Вильно, у стен которого произошел настоящий жестокий бой. Выбитый из города гетман переправился по мосту через реку Вилию, где с помощью пехоты попытался прикрыть свой отход. Бой на мосту продолжался до вечера 29 июля, гетманскую пехоту удалось опрокинуть, но мост подожгли, и гетману удалось отступить.
После полудня московиты и казаки на плечах бегущего литовского войска ворвались в город, где встретили яростное ожесточенное сопротивление. Особенно упорно защищался гарнизон Верхнего и Нижнего виленских замков под командованием Казимира Жеромского, но и он все же вынужден был сдаться к вечеру 31 июля. По свидетельствам очевидцев, московитами и казаками «на улицах, в домах и костёлах было более 10 тысяч человек убито, других забрали в неволю московскую, большая часть города стала полем боя и была окутана пламенем и пеплом». Иными словами, от деяний ожесточившихся солдат и казаков пало не менее трети оставшихся в городе виленских горожан. Согласно всем литовским и польским источникам ходе жестокого взятия город был подвергнут сильному разорению и опустошению. В результате пожаров, страшного мародёрства (и последующей эпидемии) от жестокостей русских войск казаков город был практически разрушен и значительная часть его населения погибла.
Остатки литовского войска численностью не более 5 тысяч воинов отступили на правый берег реки Вилии, сожгли переправу и, видевши сильный пожар в Вильно, направились в Жамойтию, к Кейданам. А некогда красивейший город Восточной Европы горел около недели. Наконец, осчастливленный знаковой победой русского оружия 4 августа царь Тишайший въехал в практически сгоревший город. В тот же день Тишайший объявил себя великим князем Литвы, Волыни и Подолии. Царь тишайший также принял титул «государя Полоцкого и Мстиславского», а немного попозже после взятия многих других значительных литовских городов и земель – «великого князя Литовского, Белой России, Волынского и Подольского».
Вскоре оставшуюся литовскую шляхту на оккупированных Москвой территориях царские чиновники стали приводить к присяге свежеиспеченному великому князю Литвы Алексею Михайловичу Тишайшему. Главным воеводой в Вильно царь Тишайший назначил князя Михаила Шаховского. В универсале от 7 октября Алексей Михайлович обещал безопасность шляхте, всем оставшимся мещанам и крестьянам виленского края, однако ему после жестокостей и мародерства царских солдат и казаков мало кто верил. В окружающих лесах уже действовали самовольно организованные – на свой страх и риск – партизанские крестьянские отряды.