Россия после потери Полоцка пребывала в растерянности. Поражение было неожиданным. Пугало то, что крепость не была взята штурмом, а сдалась. Иван Грозный везде видел предателей и нагнетал атмосферу всеобщей подозрительности, что парализовало волю воевод. Вслед за Шеином под Соколом многим казалось, что проще ничего не делать, чтобы не нарваться на обвинение в измене. Никаких серьезных мер для возвращения Полоцка или для предотвращения дальнейшего наступления Батория не предпринималось.

Тональность посланий Ивана Грозного резко изменилась. В письме к Стефану Баторию от 8 января 1580 года предлагались: братская любовь, обмен пленными, прекращение боевых действий на границах и опасная грамота для великого посольства Речи Посполитой. Еще недавно Иван Грозный брезгливо отказывался считать польского короля своей ровней и «братом», а теперь — призыв к «братской любви»! Очень показательны инструкции, содержащиеся в наказе русскому послу Благово. Послу велено: «Если будет в чем нужда, и ему просить об этом слегка, а не браниться и не грозить, может дадут купить, а не дадут купить — терпеть». Наказ следующему гонцу, Ф. Шишмареву, еще более красноречив: «Да будет Федору учнут какое бесчестье причинять или тесноту или досаду какую, или ругать будут, и ему, защищая себя, слегка говорить, а прытко о том не говорить, терпеть». Смирение, совершенно небывалое для московских гонцов, чья спесивость была притчей во языцех при европейских дворах!

В июне-июле 1580 года на русско-литовской границе начались активные боевые действия. М. Вишневецкий вместе с крымскими и белгородскими татарами осадил Рыльск. Из Витебска, Орши, Мстиславля наносились удары в направлении Кричева, Стародубских мест, Рославля, Велижа, Брянского, Смоленского, Себежского и Луцкого уездов. Литовские войска осаждали Усвят, Велиж и Озерище. Неспокойно было и в Ливонии: нападению подверглись Говье, Трекат, Смелтин (последний вскоре был захвачен). Из Литовской Ливонии королевские отряды совершили поход на Псковский и Юрьевский уезды, поступили сведения о выдвижении литовской армии к Заволочью.

В середине августа 1580 года первые отряды Великого княжества Литовского появились под передовой крепостью Новгородской земли — Великими Луками. 26 августа сюда подошла армия Батория. Горожане сожгли посад, хотя он и был укреплен, и укрылись в детинце. С высокого холма на чужеземцев угрюмо смотрели «мохнатые» зелено-желтые стены и башни: все укрепления Великих Лук были покрыты толстым слоем свежесрезанного дерна с успевшей пожухнуть травой. Это было сделано для защиты от каленых ядер, которые гасли и остывали в сыром дерне. Правда, при штурме выяснилось, что укрывание стен имело и обратный эффект: штурмующим было легче карабкаться по дерну.

1 сентября началась бомбардировка Великих Лук. Пикантность ситуации была в том, что под Луками в лагере Батория одновременно пребывало русское посольство князя И. В. Сицкого. Король специально заставил их приехать к Лукам, считая, что под впечатлением от огня осадных орудий дипломаты Ивана Грозного станут сговорчивее. Условием снятия осады с Лук и заключения мира паны назвали передачу Речи Посполитой Новгорода Великого, Великих Лук, Торопца, Пскова, Смоленска, Северской земли, всей Ливонии и Полоцкого повета. Русская же сторона была готова вести переговоры о разделе Ливонии, даже с уступкой при этом части новгородских или псковских земель, но не желала полностью отказаться от своих прибалтийских владений.

Не видя другого выхода, Сицкий под звуки непрекращающегося штурма огласил заготовленный на крайний случай проект раздела Ливонии. Он перечислил города, отходившие по плану Ивана Грозного к Речи Посполитой. Проблема была в том, что они уже были заняты поляками. Чем тогда «поступался» царь Иван?

В качестве уступки послы пошли на то, что назвали Стефана «братом» Ивана IV. Король этим оскорбился и гневно написал царю в ответной грамоте: что ты «тычешь» мне в лицо «свою братскую учтивость», как будто великое одолжение?

Дипломатия зашла в тупик, выход из которого стали пробивать артиллерийским огнем. Бомбардировка продемонстрировала правильность действий защитников Великих Лук: толстый слой дерна делал стрельбу по стенам неэффективной. Поэтому пушкари Батория сосредоточили огонь на бойницах башен. Две башни загорелись, правда, огонь дошел только до стен и там затух в слое мокрого дерна. Увидев пожар, на штурм устремились венгры, их встретила вылазка русских. Обе стороны отступили с потерями.

Ночью противник сумел подвести к одной из башен пороховую мину и на рассвете ее взорвал. Сама башня уцелела, но взрывом разметало дерновую защиту. Весь день поляки и венгры пытались огнем зажечь башню и ближайшие стены, а также истребить как можно больше защитников Великих Лук, самоотверженно тушивших пожар. Так закончился второй день осады.

К началу третьего дня стало ясно, что артиллерия Батория постепенно берет верх: многие русские орудия были подбиты и замолчали. Теперь враг мог подобраться к стенам, не опасаясь плотного огня. Однако штурм, предпринятый польской пехотой под командованием Луки Сирнея на нескольких направлениях, был отражен с большими потерями для нападавших.

На следующий день под личным руководством Замойского солдатам удалось подобраться к стенам, снять дерн и устроить из смолистых деревьев огромный костер у подножия укреплений. Башня крепости не загорелась, но наполнилась едким дымом, и защитники вынуждены были ее покинуть.

Теперь Замойский начал переговоры с осажденными об условиях сдачи. Гарнизон Великих Лук охотно прислал парламентеров, что давало передышку. В ночь с 5 на 6 сентября произошли не совсем ясные события. Гейденштейн пишет, что ближе к рассвету, когда к стенам крепости уже прибыл король для решающих переговоров, на вал стала карабкаться огромная толпа обозников, маркитантов и других низших чинов, не участвовавших в штурмах, но желавших всласть помародерствовать в сдавшемся городе. Одновременно произошла яростная атака венгров, которые сумели ворваться в город. После ожесточенной схватки он был взят.

Стефан отдал Великие Луки победителям: несколько часов войска Речи Посполитой могли делать в нем все, что заблагорассудится: грабить, мародерствовать, насиловать и т. д. Армия «красивейшей в Европе цивилизации» учинила страшную резню, в которой погибло более семи тысяч мирных жителей, включая женщин и детей. Современники писали, что копыта польской конницы, маршировавшей по улицам города, тонули в человеческой крови, которая ручьями текла по мостовым.

После падения Великих Лук Баторий послал несколько отрядов провести разведку боем под Торопцом, где стояли полки Хилкова. В бой опять пошли наемники: венгерская кавалерия Георгия Барбелия, немцы Фаренсберка, отборная польская конница под началом Ивана Збаражского. Русские войска при приближении неприятеля стали отступать к Торопцу, оставляя перед собой небольшие отряды-заслоны. Торопчане сожгли посад и приготовились к осаде. Торопец выдержал атаки неприятеля, бои под ним явились редким примером успеха русской армии в это время.