Баторий прошел к Полоцку маршрутом, которым войска не ходили с 1563 года, — старым Виленским трактом. Дорога настолько заросла, что армия буквально прорубалась через заросли, но зато подошла к Полоцку за три дня, что оказалось полной неожиданностью для русского командования. Оно знало, что Баторий готовится выступить, но не угадало направление главного удара. В итоге перегруппироваться русские не успели, подмоги Полоцк не получил, а наличных сил гарнизона оказалось недостаточно.

Баториевцы первым делом перерезали коммуникации. Для этого надо было взять полоцкие пригороды. 28 июля пал Казьян, 31 июля — Красный, 4 августа — Ситна. Баторий выпустил прокламацию, адресованную населению Московии. Основной ее смысл — король воюет с тираном и кровопийцей Иваном Грозным, а не с его подданными — дворянами и стрельцами, чтобы освободить оккупированные «Московитом» земли и вернуть русским свободу, отнятые у них права и вольности. Без поддержки россиян это трудно сделать, поэтому Баторий призывал встречать освободительные польские войска, открывать им ворота крепостей, не подчиняться воеводам и сотрудничать с панами. Всем, кто так поступит, король обещал льготы и награды. Кто не покорится — пусть спасается бегством. Кто будет сопротивляться — погибнет. Воззвание Батория осталось без ответа, никакой массовой сдачи и перехода на польскую сторону не было.

Полоцк к 1579 году имел три линии обороны: Верхний замок (восстановленная после 1563 года литовская крепость), Нижний замок (построенная стрельцами Ивана Грозного крепость рядом с Верхним замком) и укрепленный посад Заполотья. Бывший Великий посад Полоцка был заброшен, разрушен и даже порос лесом.

Город обороняло примерно 6000 человек при 38 орудиях, 300 гаковницах и 600 «долгих» пищалях-ручницах. Данные о войске Речи Посполитой разнятся — от 30 до 40 тысяч, но не все из них были под стенами Полоцка — кто-то брал Сушу, кто-то стоял под Соколом и т. д. У Батория было всего 33 полевых орудия, поэтому разрушать стены, как это делали русские в 1563 году, он не мог. Замок пытались поджечь калеными ядрами. Они разогревались на огне, обертывались во влажную траву, чтобы не воспламенить порох в пушке раньше времени, и затем выстреливались по деревянному городу. При попадании ядра разбивались, и раскаленные осколки могли поджечь деревянные постройки.

11 августа началась планомерная осада, 12 августа калеными ядрами подожгли дома в Заполотье. Гарнизон оставил его и целиком ушел в Верхний и Нижний замки. У них были толстые дубовые стены, и их не удавалось поджечь. Защитникам Полоцка помогала дождливая погода. Современник событий Рейнгольд Гейденштейн писал: «Вследствие весьма сильных и непрерывных дождей дороги так испортились, что вьючные лошади, не имея возможности выкарабкаться из грязи, по большой части умирали от истощения, и все дороги устланы были конскими трупами. Дожди до такой степени увлажили почву, и без того жирную и влажную саму по себе, и все напоили водою, что даже под кожами в самых палатках магнатов не оставалось места, где можно было бы лежать. Следствием всего этого было то, что… съестные припасы и в особенности сено до крайней степени возросли в цене; чего раньше и не слыхивали, особенно в Польше, — каждая мера овса покупалась за 10 талеров, так что им, конечно, кормили только более благородных коней; с другой стороны, в числе поляков и венгерцев находились такие люди, которые не задумывались есть мясо падших лошадей; и не столько казалось удивительным это само по себе новое и непривычное кушанье, сколько то, что питавшиеся им не замечали, чтобы от этого им приключилась какая-нибудь болезнь. При затруднительном положении всех, всего более страдали немцы… потому, что привыкли вести войну в странах, населенных частыми городами».

29 августа с помощью угольев и факелов, которые бросали к основанию стен, удалось в одном месте поджечь и частично разрушить стену в районе наугольной северо-западной башни Верхнего замка. 30 августа венграм под командованием Петра Рача удалось войти в пролом, а затем захватить и сжечь крепостную башню, располагавшуюся недалеко от пролома. 31 августа крепость пала. Гарнизон сдал ее при условии, что всех желающих отпустят в Россию. Некоторые решили остаться в Литве, испугавшись расправы за малодушие. Эти страхи были небезосновательны — Иван Грозный был убежден, что «крепость сдали изменою». Баторий сдержал слово и отпустил сдавшихся, но как только они покинули Полоцк — королевский контроль ослаб, и воинам пришлось хлебнуть всю полноту унижений и произвольных расправ.

Взяв Полоцк, Баторий продолжил захват округи. 4 сентября была взята Туровля, 11 сентября — Сокол. Под Соколом в то время находились отряды, посланные Иваном Грозным для деблокады Полоцка. Воеводы не решились нападать. Как часто бывает, тот, кто избегает сражений и трусливо отсиживается в стороне, получает и сражения, и позорную гибель. Отряды во главе со струсившим воеводой Борисом Шеиным были разбиты. 6 октября сдалась Суша. Войска Речи Посполитой вторглись в Смоленскую землю.

Стефан Баторий переломил ход истории и начал Московскую войну с блестящих побед. Речь Посполитая неистовствовала в восхвалениях короля и своих рыцарей. Ян Замойский говорил, что эта победа как бы лишила Ивана Грозного всей предыдущей военной славы: «Мы одержали столь славную победу над неприятелем, которого все страшились вследствие высокого мнения о его могуществе и о его воинской доблести, о его победах над другими народами; никто не думал, что он сам может быть побежден. Случилось, однако, по особенной милости Божией, то, что неприятель не только побежден, но лишен Полоцка, который будет служить вечным памятником этой победы, лишен славы своих прежних побед; все его трофеи, какие он только получил в продолжение стольких лет над ливонцами, шведами, над покоренными казанцами и астраханцами, над татарами и турками, пытавшимися было соединить Дон с Волгою и Каспийское море с Черным, над другими воинственными и дикими народами, все эти трофеи с него сняты этою победою; их будут нести впереди при настоящем триумфальном военном торжестве».

Поэт Ян Янушевский написал похвалу Стефану на Полоцкое взятие. Он называл победу польского оружия величайшим в истории «триумфом». Увлекаясь, автор писал, что король «укротил неистового Буцефала», «прошел между Сциллой и Харибдой и привел свой корабль в тихую гавань». Стефан подобен Александру Македонскому, Цезарю и Карлу Великому, вместе взятым.

Правда, в бочке меда оказалась ложка дегтя. У победителя всегда есть завистники. Батория обвинили в том, что он поощряет иностранцев и принижает поляков. Венгры и немцы на самом деле воевали лучше и покрыли себя воинской славой при взятии Полоцка, но поляки считали это унизительным для «истинного рыцарства». Короля невзлюбили и, как водится, начали строить козни: например, попытались поссорить его с женой, Анной Ягеллонкой, распространив слухи, что она слишком стара и король бросит ее ради молодой.

Кое-кто начал обвинять Батория в… победе над Россией. Ведь московиты разбиты и не сегодня-завтра всей страной сдадутся. Что делать Речи Посполитой с таким количеством пленных? Как управлять этими варварами? Как их кормить? Канцлер Я. Замойский даже был вынужден произнести перед сеймом особую речь, в которой обосновал необходимость завоевания России. Он заявил: «Положение нашего государства, мне кажется, таково, что если только мы хотим… сохранить настоящее положение республики, то совершенно необходимо присоединить к ней какое-нибудь новое королевство». Начнем с возвращения земель Великого княжества Литовского, потом вернем древние литовские земли — Новгород и Псков, ну а там подумаем насчет Москвы…