Все это время безопасность войска обеспечивали хорошо поставленная разведка и служба охранения, которые внимательно следили за перемещениями литовских войск. Впрочем, никаких активных усилий прорвать блокаду Полоцка гетманы не предпринимали, и все их достижения свелись к уничтожению нескольких небольших русских отрядов.
Хотя большой наряд еще не подошел, артиллерийская дуэль между осажденными и осаждающими началась уже 5 февраля — литовцы обстреляли Ивана IV с государевым полком, им ответили русские пушки. В этот же день была предпринята атака на стены южного угла Великого посада, но штурм этот окончился безрезультатно. Или русских воинов, захвативших одну из башен, отозвали назад, т. к. осадные работы были закончены еще не везде, или же их выбили из башни осажденные. К вечеру канонада стихла, и стало ясно: далеко не все жители Полоцка готовы обороняться до конца, его торговое население заинтересовано в сохранении своего имущества, есть и те, кто поддерживал Ивана IV по политическим мотивам. Опасения «разлада» среди осажденных, а также стремление той и другой стороны выиграть время привели к возобновлению переговоров, которые тянулись до 8 февраля. При этом городской воевода С. Довойна допустил грубейший просчет: в условиях перемирия не оговаривалось, что московская рать должна прекратить осадные работы. Воспользовавшись этим, Иван Грозный приказал придвинуть туры к самым стенам крепости.
Тем временем 7 февраля подошла тяжелая артиллерия — большой наряд, и для русской стороны дальнейшее промедление стало бессмысленным. Разрыв переговоров облегчили сами литовцы — 8 февраля они обстреляли со стен города русского представителя Михаила Безнина. Вероятно, это сделала та группа осажденных, которая была настроена непримиримо, и она добилась своей цели — канонада возобновилась. Обстрел города с небольшими перерывами продолжался с 8 по 14 февраля, причем источники едины в указаниях на силу обстрела. Они говорят, что город был взят «при таком пушечном громе, что, казалось, небо и вся земля обрушились на него», «от многого пушечного и пищалного стреляния земле дрогати и в царевых и великого князя полкех, бе бо ядра у болших пушек по двадцети пуд, а у иных пушек немногим того легче». Поставленные под стенами пушки били в упор, дробя и взламывая их. В этих условиях С. Довойна приказал 9 февраля сжечь посад и отойти в замок. В результате пожара, охватившего посад, выгорело более 3000 дворов, причем прямо посреди пожара шла схватка между стрельцами и поляками. В конце концов с подходом подкреплений поляков «потоптали и в город вбили», посад остался за русскими.