Совсем небольшой по сравнению с неприятелем гарнизон сдаваться тем не менее не собирался. Полочане даже устроили ночную вылазку с целью отбить у врага артиллерию. Защитники города могли бы выдержать длительную осаду, если бы не ошибки полоцкого воеводы Станислава Давойны.
Первый раз он просчитался, отправив из Полоцка — чтобы уменьшить число едоков — две тысячи крестьян, которые укрепляли стены. Царские люди изловили их и заставили показать лесные ямы с городскими запасами хлеба. Второй раз Давойна ошибся, когда отвел защитников в замок и поджег острог с посадами. Под прикрытием густого дыма стрельцы ворвались в город и перетащили туда пушки. В тот день пленниками стали 11 тысяч окрестных крестьян, укрывавшихся от захватчиков за полоцкими стенами. Вражеская артиллерия уже могла стрелять по замку прямой наводкой. Кроме того, московиты подвели подкоп и взорвали большой пороховой заряд, в результате чего выгорело триста саженей стены. Тем временем московское воинство опустошало Придвинье, выжигая от Диены до Дриссы деревню за деревней.
14 февраля царь приказал бить из огненных пушек, и за пять часов до рассвета крепость загорелась. После седьмого вражеского штурма воевода Давойна с депутацией в составе полоцкого епископа Арсения и лучших людей от шляхты вышел из замка и попросил пощады.
Полоцкая шляхта и пятьсот коронных рыцарей отказались сдаваться и оборонялись еще несколько дней, но судьба города была предрешена.
Царь пообещал сохранить защитникам Полоцка свободу и имущество. Воевода Давойна, словно забыв, что государственного слова в Московии никогда не держали, выступил из крепости со всем войском и артиллерией.
Посмеявшись над верой полочан в его обещания, царь Иван окружил пленных сильной охраной и повелел пять дней не давать им есть. Мирных горожан выгнали в поле и также взяли под стражу. Городскую казну, собственность купцов, шляхты и всех зажиточных людей царь присвоил и отправил в свою столицу.
Обещанную свободу получили только польские рыцари. Они должны были сообщить великому князю и королю Жигимонту Августу, что московский властелин войны не жаждет, а хочет лишь вернуть «свои» Волынь, Галицию и Беларусь до самой Вильни.
Среди жителей Полоцка было много иудеев. Их, от стариков до младенцев, постигла страшная участь — погибнуть подо льдом Двины и Воловьего озера. Псковская летопись повествует: «Которыя были в городе люди жидове, и князь великий велел их с семьями в воду в речную вметати и утопили их». Такая же судьба ожидала католиков. Царские татары порубили саблями монаховбернардинцев и предали огню их храм. В тот день последний раз молились Богу и братьядоминиканцы. Царь отдал приказ безо всякого суда лишать жизни всех, кто крестится не поправославному.
