Осадные действия начались со стороны венгров. Были проведены подступы к стенам внешних укреплений, остававшихся на Заполотье, и открыта по ним бомбардировка из пушек. Видя невозможность здесь удержаться, осажденные подожгли укрепление и удалились в Большой город.
У стен Большого города осаждающие построили укрепление, откуда открыли огонь из осадных орудий. Ядра пробивали деревянные стены, но не разрушали их. Тогда стали бросать каленые ядра по способу, изобретенному самим Баторием во время венгерских междоусобных войн, но и против них полоцкие стены оказались неуязвимыми. С. М. Соловьев писал: «…жители, старики и женщины бросались всюду, где вспыхивал пожар, и тушили его, на веревках спускались со стен, брали воду и подавали в крепость для гашения огня. Множество при этом падало их от неприятельских выстрелов, но на место убитых сейчас же являлись новые работники».
Отдавая должное врагу, король Стефан писал, что «московиты в обороне крепостей стойкостью и мужеством превосходят все иные нации».
Царь, узнав об осаде Полоцка, двинул туда передовые отряды под начальством окольничих Бориса Шеина и Федора Шереметева. Но эти воеводы, увидев, что все дороги к Полоцку перегорожены войсками Батория, заняли крепость Сокол и оттуда препятствовали подвозу фуража и продовольствия к осаждавшим, избегая столкновений в чистом поле с высланными против них полками под начальством Криштофа Радзивилла и Яна Глебовича.
Вскоре в лагере осаждавших начался голод. Положение их осложнялось еще и тем, что начались проливные дожди, дороги размыло, обозные лошади падали, а ратники не могли найти сухого места даже под шатрами. Особенно страдали немцы, привыкшие воевать в богатых, густо населенных странах.
Не видя способа справиться с возникшими трудностями, король созвал военный совет. Большинство воевод высказалось за то, чтобы немедленно идти на приступ, но Баторий не согласился. «Если приступ не удастся, — говорил он, — что тогда останется делать? Отступить со стыдом!» Пообещав венграм большие награды, король уговорил их подобраться к стенам крепости и зажечь их одновременно со всех сторон.
В первый же выдавшийся ясный день, 29 августа, венгры подобрались к стенам и подожгли их. Пламя быстро распространялось, и осажденные в течение целого дня не могли потушить пожаров. А король с большей частью войска в это время стоял на дороге к Соколу, боясь, чтобы засевшие там русские воеводы, увидев зарево, двинутся на помощь Полоцку. Однако помощи не было, и осажденные стали думать о сдаче. Десять русских парламентеров спустились со стен, чтобы начать переговоры, но венгры убили их, поскольку не желали никаких переговоров, а хотели взять крепость приступом, чтобы потом разграбить ее. Особенно венгров прельщала церковь святой Софии, о богатствах которой ходили легенды. Поэтому венгры, не дождавшись королевского приказа, кинулись в город сквозь пылавшие стены, а за ними двинулась и польская пехота. Но защитники города к этому времени уже успели выкопать ров в том месте, где прогорела стена, встретили нападавших залпами из пушек и отогнали их.
На следующий день пожары и натиски осаждавших возобновились. Тогда стрельцы с воеводой Волынским вновь послали людей для переговоров. На этот раз переговоры состоялись, и город был сдан с условием свободного выхода всем ратным людям. Причем некоторые поступили на службу к королю Стефану, но большинство предпочло вернуться в Россию.
В московских Разрядных книгах о капитуляции города записано: «Король Стефан Полоцк 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. Сдал Полоцк королю Петр Волынский со стрельцами».
Среди тех, кто отличился под стенами Полоцка, был запорожский казак Корнила Перевал. Король дал казаку наследственное дворянство и герб с изображением натянутого лука со стрелой. Через десять лет потерявший в боях здоровье Корнила вышел в отставку и нажил сыновей Рыгора и Богдана, положив начало знаменитому роду Перевальских, которые со временем станут именоваться на польский манер Пржевальскими.
Вслед за Полоцком войска Батория до конца 1579 г. овладели и рядом близлежащих укрепленных городков и замков. Козьян и Красный казаки под началом Франтишка Жука взяли еще до начала осады Полоцка. Козьян разрушили сразу, а с Красным вышла иная история: приставив к стенам лестницы, казаки ворвались в крепость, захватили вместе с гарнизоном продовольствие и несколько бочек вина. Как следует отпраздновав победу, казаки крепко уснули. А тем временем из замка Суша тихо подошел отряд из восьми сотен стрельцов, перебил сонных победителей, а крепость сжег.
После взятия Полоцка литовский отряд князя Константина Лукомского двинулся к крепостце Туровля. Московские воеводы бросили крепостицу со всеми орудиями и припасами и бежали. На радостях князь и его воинство перепились и начали стрелять из орудий. От удачного попадания мортирной бомбы деревянные постройки загорелись, и крепостца выгорела дотла.
Деревянная одиннадцатибашенная крепость Сокол стояла на высоком холме при слиянии рек Нищи и Дриссы. Сокол был осажден немецкой пехотой и польской кавалерией. Несколько каленых ядер подожгли деревянную стену. У командовавшего конным отрядом Шереметева нервы не выдержали, и он пошел на прорыв. Польская кавалерия гнала русских несколько верст, зарубив многих, включая Шереметева. Пешие стрельцы под командованием воеводы Шеина под ударом немцев отступили в замок. Причем, около пятисот наемников на плечах русских ворвались в замок, однако стрельцам удалось закрыть ворота и перебить немцев, всех до единого.
25 сентября 1579 г. Сокол был взят немцами, а уцелевшие русские перебиты. Командир наемников полковник Вейер говорил, что бывал он во многих битвах, но нигде не видел такого множества трупов, лежавших на одном месте.
Больше на этом холме никто не селился, а окрестные крестьяне еще в 1912 г. находили там обломки оружия и кости.
Весть о потере Полоцка и Сокола настигла царя Ивана в Пскове. Он срочно двинулся в глубь страны и уже с дороги послал грамоту в замок Суша, в которой, против своего обыкновения, разрешил гарнизону отступить, но предварительно зарыть в землю иконы и испортить пушки и порох. Но гарнизон Суша не выполнил волю государя, а, может быть, просто не успел. Каменный замок сдался, а шесть тысяч его защитников с ручным оружием отправились домой. Полоцкий воевода Миколай Дорогостайский взял в крепости 21 большое орудие, 136 гаковниц, 123 длинные ручницы, 100 бочек пороха весом 2,5 тысячи пудов и три тысячи железных ядер.
В конце 1579 г. Баторий вернулся в Вильно. Еще в середине сентября он отправил Ивану грамоту, в которой писал, что по восшествии на престол главным старанием его было сохранить мир со всеми соседями, и везде он в этом преуспел. В ответ царь Иван прислал ему гордую грамоту, в которой требовал Ливонию и Курляндию. «Так как нам не годилось, — писал король, — исполнить это требование, то мы сели на коня и пошли под отчинный наш город Полоцк, который господь бог нам и возвратил: следовательно, кровь христианская проливается от тебя». Иван ответил: «Другие господари, твои соседи, согласились с тобою жить в мире, потому что им так годилось. А нам как было пригоже, так мы с тобою и сделали. Тебе это не полюбилось, а гордым обычаем грамоты мы к тебе не писывали и не делывали ничего. О Лифляндской же земле и о том, что ты взял Полоцк, теперь говорить нечего, а захочешь узнать наш ответ, то для христианского покоя присылай к нам послов великих».
Начались переговоры, а тем временем Баторий лихорадочно готовился к войне. Он повсеместно занимал деньги у магнатов и ростовщиков, в этом королю хорошо помогал канцлер Ян Замойский. Родной брат Батория князь семиградский прислал ему большой отряд венгров. Поскольку польские шляхтичи отказывались служить в пехоте, то Баторий впервые в Польше ввел воинскую повинность. Было приказано в королевских имениях из двадцати крестьян выбирать одного, которого по выслуге срочного времени освобождать навсегда самого и все потомство от всех крестьянских повинностей. Между прочим, решение это позже привело к значительному увеличению безземельной шляхты.