Монастырь по своему местоположению представлял собой важный стратегический пункт, прикрывавший сообщение между Москвой и северо-востоком России.
Гарнизон составляли монахи, присланные Василием Шуйским войска, общей численностью в 3000 человек и укрывавшиеся в монастыре крестьяне. Обороной руководили так называемые осадные воеводы — князь Долгоруков и боярин Голохвостов.
Ян Сапега с 14 000 поляков и авантюрист А. Лисовский при 20 000 войска и 63 орудиях расположились с двух сторон от монастыря, чтобы отрезать его от Москвы. Девять батарей, устроенных поляками, открыли огонь и стреляли в течение 6 недель, но, ввиду малого калибра орудий, без особого успеха. Спустя 3 дня поляки стали рыть в 100 метрах от ограды подступной ров и из него выводить минные галереи, но, не дождавшись окончания работ, пошли на приступ, который защитниками был отбит.
Затем защитники произвели ряд вылазок с целью разрушения неприятельских батарей, но успеха не имели. Поляки, в свою очередь, после каждой вылазки производили приступ, но каждый раз тоже безуспешно. Когда обороняющиеся узнали достоверно от пленных, что цель минной атаки заключается в разрушении юго-восточной башни, то они сейчас же возвели ретраншамент из деревянных срубов позади названной башни, отрыли глубокий ров для разрыва путей минных галерей и предприняли энергичные вылазки, чтобы помешать осаждающим. Наконец, узнав от перебежчика, что поляки собираются поместить в подкоп мину, осажденные произвели вылазку, для чего открыли старый вылаз, защищавшийся тремя дверьми. Достигнув подступного рва, русские ворвались в минные галереи, где уже были заложены заряды, и произвели взрыв, который нанес вред исключительно осаждающим. Другие отряды атаковали польские батареи, смяли охранявшие их войска и захватили 8 орудий.
После этих боев поляки решили ограничиться исключительно блокадой. За зиму в монастыре развились болезни, число защитников уменьшилось, а подкреплений пришло мало. Все это побудило поляков весной вновь пойти на приступ, который опять был отбит с большим уроном для осаждающих. В конце концов гарнизону монастыря удалось дождаться отрядов Д. Жеребцова и Г. Валуева, с вступлением в бой которых 12 января 1610 года осада была снята. Защитники ТроицеСергиевского монастыря, названного впоследствии лаврой, стойко оборонялись в течение 16 месяцев.