9-10 февраля «на пожженном месте» напротив замковых стен был установлен большой наряд, и сразу же началась бомбардировка замка. Эти дни, а также 13–14 февраля, орудия били без перерыва целые сутки, нанося жесточайший урон осажденным. Полочане «токмо крыяшеся в домох своих, в погребах и в ямах от пушечного и пищалного стреляния». При обстреле использовались и «огненные ядра», вызвавшие пожар в замке, гарнизону которого приходилось одновременно бороться и с врагом, и с огнем — горело несколько десятков домов. К утру 15 февраля положение обороняющихся стало критическим, они понесли большие потери в отличие от осаждающих, чьи потери составили всего 86 человек.
В этих условиях было принято решение о сдаче. Первым из города вышел епископ Арсений Шисца «со кресты и с собором», но Грозный потребовал личной явки С. Довойны в свой лагерь. Воеводе ничего не оставалось, как подчиниться, и он выполнил требование. Переговоры шли целый день и закончились капитуляцией города на том условии, что царь обещает «показать милость» и «казней не учинить». Защитников города поместили в два отдельных лагеря для солдат и горожан, причем солдатам было сохранено оружие, а горожанам — нет. Все они находились под крепкой стражей и были переписаны, пять дней, если верить литовским источникам, им не давали никакого продовольствия.
Последнее довольно сомнительно. Под пером авторов антирусских памфлетов и листовок «зверства московитов» приобретали поистине невероятные размеры. Так, в одной из листовок говорилось, что Иван Грозный «город целиком и полностью сжег до основания и двадцать тысяч человек предал мучительной смерти на крючьях и виселицах». О том же пишет Г. Штаден, достоверность сообщений которого о России уже давно опровергнута серьезными исследованиями: «Великий князь вызвал из города все рыцарство и воинских людей. Их таким образом разъединили, а потом убили и бросили в Двину. С евреями, которые там были, случилось то же самое, хотя они и предлагали великому князю много тысяч флоринов выкупа». Скорее всего, эти известия, как и известия о резне монахов-бернардинцев, по большей части являются вымыслом, хотя следует признать: русские ратники отнюдь не были ангелами и вели себя в захваченном городе в соответствии с обычной практикой того времени.
Взятие войсками Ивана Грозного ливонской крепости Кокенгаузен. Художник П. Сколов-Скаля. 1942 г.
Захват Полоцка был одним из крупнейших успехов русской армии в ходе Ливонской войны. В отличие от кровавого штурма Казани здесь успех был достигнут ценой незначительных потерь, и главную роль сыграл не штурм, а умелое использование артиллерии. Обращает на себя внимание и то, что, если под Казанью Иван Грозный разделяет славу победителя с авторитетными и опытными воеводами, то здесь во время осады не упоминаются фигуры, подобные М. И. Воротынскому или А. Б. Горбатому. Судя по Разрядной книге похода на Полоцк, в нем участвовал А. Д. Басманов, но о его роли в принятии решений ничего не известно. Правда, вторым воеводой передового полка был опытный кн. П. М. Щенятев (погибнет от рук опричников), отличился при бое за посад Д. Ф. Овчинин, а при организации обстрела — М. П. Репнин-Оболенский (обоих убьют еще до начала опричнины), но все это величины более скромного масштаба. Таким образом, взятие Полоцка можно отнести прежде всего за счет искусного руководства осадой со стороны самого царя, проявившего здесь качества незаурядного полководца. План похода был хорошо продуман, и его успешное завершение стало тяжелым ударом для Великого княжества Литовского.