30 ноября с 80-тысячным войском Иван IV вышел из Москвы и 4 декабря прибыл в Можайск. В Великих Луках завершено формирование полков, всего сформировано семь, и 9 января началось выдвижение московской рати к Полоцку. Войскам было приказано не высылать фуражиров, все запасы везлись с собой. Б. ХлызневКолычев бежал из русского войска к неприятелю, и в Полоцке узнали о приближении противника, о чем было немедленно сообщено гетману литовскому Н. Радзивиллу. Царь Иван IV, со свойственной ему высокомерностью, предложил литовскому воеводе С. Довойне сдать город, но не получил ответа, более того, пленный, отпущенный в Полоцк с этим посланием, был казнен.
31 января 1563 года город был осажден. Предполагалось вести наступление на город из Задвинья по льду Зап. Двины, так как окольный город — «Великий Острог» не имел стен со стороны реки, поэтому в Задвинье расположились самые боеспособные части московской армии — Государев полк, Полк правой руки и Передовой полк. С первого дня осады велась перестрелка, носившая локальный характер. Однако 3 февраля на Западной Двине изменилась ледовая обстановка, и план осады пришлось изменить. Государев полк передислоцировался в междуречье р. Полоты и Зап. Двины для ведения наступления уже через укрепления Великого Острога. На помощь Полоцку от Минска выступила армия Великого княжества Литовского под командованием гетмана Н.Я. Радзивилла, численность армии была 2500—3500 чел. при 20—25 полевых орудиях. Поэтому прямого сражения Радзивилл не планировал, находясь на растоянии не менее 8 миль от Полоцка, он занимался информационной войной, распуская слухи о многочисленности своей армии. Против этого отряда были посланы отряды с воеводами князем Ю.П. Репниным, А.И. Ярославовым и татарским «царевичем» Ибаком, при приближении которых Радзивилл поспешно отступил, они же, не преследуя его, вернулись к Полоцку. 4—5 февраля против городских стен начали сооружать осадные укрепления и устанавливать орудия, до этого московская артиллерия базировалась в основном у монастыря Св. Георгия в междуречье Полоты и Западной Двины. 5 февраля московскими войсками была предпринята первая попытка штурма. Стрельцам И. Голохвастова удалось захватить башню над Зап. Двиной, но они были выбиты оттуда. В этот же день прозводился первый обстрел города, который длился до вечера. После этого обстрела осажденные начали переговоры. Переговоры велись в течение 5—8 февраля. Между тем на главных направлениях были расставлены туры. Из-за очевидной слабости полоцкого «наряда» московские пушкари в ночь с 5 на 6 февраля установили осадные орудия у самых стен города. Вечером 7 февраля к Полоцку подошел московский «большой наряд», и царь Иван IV потребовал от города капитуляции. 8 февраля переговоры были сорваны, так как кто-то из Полоцка выстрелил в царского посла. 8 февраля начался обстрел города. Так как орудия были установлены практически вплотную к стенам Великого Острога, они просто разламывали их, пробивая насквозь. 9 февраля литовский воевода Довойна принял решение, которое некоторые считают причиной падения Полоцка, —оставить полуразрушенный Великий Острог. Великий Острог был подожжен и оставлен — гарнизону, полоцким горожанам и боярам пришлось отступить в Полоцкий замок, а до 12 тыс. полочан попало в плен. Начался большой пожар, московские войска на плечах осажденных пытались ворваться в замок, и среди пожара завязался упорный бой. 9—10 февраля русские пушки «большого наряда»: «Кортуна», «Орел», «Медведь» — были установлены напротив Полоцкой крепости на пожарище Великого Острога, в Задвинье и Заполотье. 13—14 февраля орудия били без перерыва целые сутки — «изо всего наряда били без опочивания день и ночь». В ночь с 12 на 13 февраля защитки крепости предприняли неудачную вылазку всеми силами с целью уничтожения московской артиллерии. 13 февраля со стороны Великих ворот открыли огонь самые тяжелые орудия русского «наряда», пушки «Шашпирова», «Степанова» и «Павлин». К тому времени ядрами была разбита часть стен замка, а в ночь с 14 на 15 февраля московские воины, подобравшись к стенам, подожгли их в нескольких местах. За несколько часов до рассвета 15 февраля московские войска начали подготовку к генеральному штурму, положение защитников стало безнадежным. Из города вышел полоцкий епископ Арсений, через него литовский воевода Довойна просил о переговорах, царь Иван IV потребовал прибытия для этого самого Довойны. Полоцк был сдан после трехнедельной осады ранним утром 15 февраля 1563 года.
В осаде Полоцка, событии мирового масштаба того времени, погибли 86 русских людей: 4 детей, 66 стрельцов, 15 «боярских людей» и «голова казатская».
Оставив себе городское знамя, казну и небольшой «наряд» Полоцка из 20 пушек, все прочие «богатства» города царь отдал своему войску. Воеводами города были назначены князья П.И. Шуйский, B.C. и П.С. Серебряные. Им предстояло восстановить и улучшить старые укрепления. К 500 плененным полякам из полоцкого гарнизона и немецким наемникам царь Иван IV отнесся милостиво. Некоторые полоцкие бояре, купечество, горожане были лишены имущества и угнаны в плен. Литовский воевода Довойна с женой и епископ Арсений, как и некоторые другие полоцкие бояре и горожане, были пленены. 21 февраля в лагерь царя прибыл посол Великого княжества Литовского для ведения переговоров о перемирии, которое в те же дни
было заключено. 27 февраля, оставив в Полоцке гарнизон и отдав распоряжения об укреплении города, царь Иван IV с основными силами вышел к Москве. Часть пленных полоцких бояр была обменена на московских пленных или выкуплена Великим княжеством Литовским. Так, в 1566 году Довойна был обменян на московского «сына боярского». Епископ Арсений был сослан в Спасо-Каменный монастырь.
События полоцкой осады вызвали международный резонанс: в Аугсбурге, Любеке, Нюрнберге, Праге и других городах Европы вышли информационные листовки, посвященные событиям в Полоцке.
В Великом княжестве Литовском и Польском королевстве были поражены полоцким взятием. Сейм в Петрокове был прекращен, а литовский Великий князь Сигизмунд Август срочно сообщил о своем возвращении в Великое княжество Литовское для организации обороны, приказав не вступать в бой с московскими войсками, а приложить все силы для защиты Вильно.
Взятие Полоцка было максимальным успехом Московского государства в Ливонской войне, хотя и позднее московские войска одерживали победы в Ливонии. Кризисное положение, в котором после потери Полоцка оказалось Великое княжество Литовское, фактически заставило его слиться с Польшей.