Фридрих, насколько возможно, усилил оборону крепости. Гарнизон превышал четыре тысячи солдат, количество крепостных орудий приближалось к 150. Опытный организатор обороны майор (позже — полковник) фон Гейден отлично знал местность и умело управлял смельчаками, с которыми уже дважды отстоял Кольберг во дни осад.

К крепости примыкал пространный укреплённый лагерь, который тоже считали едва ли не неприступным. Там на высотах готовилась к бою артиллерия. В лагере расположился 12-тысячный корпус принца Вюртембергского. С востока крепость защищал болотистый труднопроходимый лес. Словом, взятие Кольберга было главной и наиболее трудной тактической задачей кампании. Ситуация требовала от Румянцева не просто осады и попытки штурма: предстояла многоплановая операция против сильной прусской группировки, крепости с гарнизоном и нескольких линий обороны.

Жители Померании, разорённые войной, насторожённо ждали русских гостей. Румянцев понимал, что успех операции зависит и от отношений с местным крестьянством. В атмосфере ненависти трудно воевать, ещё труднее наладить снабжение армии. Борьба с мародёрством, строгая дисциплина — это не просто благие пожелания. Репутация русских войск в Пруссии в те годы оставляла желать лучшего.

Фридрих предвидел, что Румянцев попытается замкнуть блокаду Кольберга, перекрыть транспортные пути. Для неожиданных рейдов по тылам русского корпуса король выделил отряд генерала Вернера — две тысячи кавалеристов и полтысячи пехотинцев. Располагаясь под Кольбергом, Румянцев узнал о передвижениях отряда Вернера и направил против него соединение, в котором казаков и драгун подкрепляли два гренадерских батальона.

Войска Вернера заняли город Трептов — и Румянцеву удалось окружить его. Там, под Трептовом, русский полководец сломал стереотипы тогдашнего военного искусства. Как было принято действовать после окружения? Медленно и основательно. Наступали широким фронтом, линиями. Ни тебе эффекта неожиданности, ни концентрации сил на прорывном участке. Румянцев уже не один год обучал солдат наступать колоннами. И полковник Бибиков, которому он поручил взятие Трептова, предпринял атаку батальонной колонной. Быстрота и сосредоточение сил — этих двух условий пруссаки не выдержали. Русские ворвались в Трептов, а конница преследовала противника в предместьях. Только убитыми Вернер потерял более шестисот человек. Почти столько же, включая самого Вернера, оказались в плену у Бибикова. Румянцев разбивал линейную тактику — и торжествовал.

Любопытный факт: первый вариант плана осады Кольберга подготовил инженер-полковник Де Молин. Румянцев, перелистав его план, пришёл в негодование. Он выгнал Де Молина из корпуса, пригрозив аж повешением. Впрочем, этот военный инженер ещё долго будет служить в русской армии, станет и генералом… Второй план генерал сочинял вместе с полковником Гербелем. Первым шагом предполагались операция по оттеснению прусских частей в лагерь принца Вюртембергского и захват передовых укреплений Кольберга. 19 августа русские двинулись вперёд: после усиленных поисков по обоим берегам Персанты противник с потерями отступил в Кольбергский и Боденхагенский леса, а затем ушёл в свои укрепления.

Достойным соперником оказался генерал Дубислав Фридрих Платен, которому удалось прорваться к Кольбергу, уничтожив магазины и коммуникации русской армии. Отряд Платена усилил гарнизон Кольберга.

Румянцеву удалось перекрыть пути из Штеттина в Кольберг. Но упорные пруссаки неоднократно пытались вернуть контроль на этих дорогах… Румянцеву пришлось отрядить команду под началом полковника Апочинина,

Наступил черёд партизанской войны: то было противостояние летучих отрядов. Одно из важных сражений произошло под Гольнау: русский отряд, в котором выделялся решительными действиями подполковник Суворов, ворвался в крепость. Полковник Корбиер был захвачен в плен, а Суворов, получив две раны, в упоении подсчитывал ещё и захваченные пушки. Тем временем Румянцев окружил отряд генерала Кноблоха, который сдался без боя. Удалось захватить более 1600 человек пленных, 15 знамён и 7 орудий. Платену всё же удалось уйти. После этих сражений в Кольберге началась паника, но и в лагере Румянцева не всё обстояло благополучно.

Ещё до наступления холодов Румянцев столкнулся с нехваткой продовольствия. Армия, несмотря на старания Румянцева по добыче припасов, почти голодала. Уже в конце сентября из-за погодных условий флот был вынужден удалиться от Померании. Полянский ушёл с эскадрами в Ревель, по дороге попал в бурю и вернулся в Россию с большими потерями. Утешало, что у пруссаков дела с провизией обстояли не лучше. Граф Чернышёв упоминает, что солдат по шесть месяцев держали без жалованья. Бутурлин относился к Румянцеву и его корпусу как к нелюбимым пасынкам, как будто ждал от «зарвавшегося» генерала поражений.

Военный совет, по настоянию Бутурлина, рекомендовал Румянцеву снять блокаду и, по традиции, направить войска на зимние квартиры. Не принято было в те годы воевать с наступлением холодов. Но Румянцев и здесь ломал традицию: он-то помнил, как дорого стоил поспешный уход на отдых после Кунерсдорфской победы — и, к неудовольствию Бутурлина и удивлению пруссаков, принял решение сражаться до конца.

В начале ноября он весьма обстоятельно обрисовал ситуацию в письме на высочайшее имя: «Крепость при отступлении неприятельском, чрез посыланного от меня капитана Бока, к сдаче была требована. Комендант фон дер Гейде со всеми хотя учтивостьми твердость свою и заслуженные уже, якобы, честь и славу толикими и формальными осадами показать и в сем случае мне обещал. Я, однако ж, приказал господину генерал-порутчику Гольмеру, которой, в крайнем хотя изнеможении, усердствовать вашему императорскому величеству, ищет от стороны морской или по усмотрению его, где токмо место позволит на настоящее весьма сырое время, траншеи открыть и батареи в большом числе орудий заложить. Одна из сих уже устроена и со вчерашнего дни город бомбардируетца. Недостаток в пропитании может быть понудит коменданта к сдаче склонитца, а в протчем, осмеливаюсь вашему императорскому величеству доносить, что по настоящей погоде, а особливо в здешних местах, вовсе из времени осаждать. Я б охотно последовать примеру барона Лаудона, но кроме других обстоятельств, водяные весьма глубокие и широкие два рва требуют уже иных способов, а сих, не повредя крепостного строения, ни с каковой [стороны] удачно достигнуть невозможно, исключая однако ж сильные морозы».

Императрица к тому времени чувствовала себя опустошённо: болезнь побеждала.

Принц Вюртембергекий отступил на соединение с войсками Платена — и оставил укрепления, в которые тут же вошли войска Румянцева. В ночь на 5 ноября Румянцев занимает укрепление Вольфсберг, затем овладевает предместьями Кольберга. Фридрих приказывает Платену и принцу Вюртембергскому прорваться в Кольберг и доставить туда транспорт с продовольствием. Но попытка прорыва закончилась неудачей: их атаку Румянцев отбил и даже организовал преследование. Пруссаки дрогнули.

Комендант крепости фон Гейде впервые выдвинул условия капитуляции: почётные для пруссаков. Румянцев выдвигает собственные условия. 5 декабря фон Гейде соглашается на ультиматум Румянцева, и русские войска занимают Кольберг. Крепость, ставшая базой русской армии, угрожающе нависла над Бранденбургом.