Таким образом, к 9 февраля город был частично взят. Жители начали сдаваться. С 9 по 11 февраля тяжелая артиллерия и туры переносились «на пожженное место», на пепелище полоцкого посада, к стенам замка. Непрерывный огонь длился несколько суток. Его интенсивность достигала такой силы, что отдельные ядра пролетали территорию замка насквозь и ударялись в противоположную стену изнутри. Горожане прятались от огня в погребах. Гарнизон занимался не обороной, а тушением очагов пожаров. Но их было слишком много, и в конце концов полоцкий замок оказался объятым пламенем. Артиллерийским огнем было разрушено 40 укрепленных участков стены из 204, составлявших укрепления замка. Было очевидно, что падение полоцкой цитадели – только вопрос времени.
Защитники Полоцка вели себя мужественно, даже делали вылазки, чтобы разрушить русские осадные укрепления. Сделать этого не удалось, зато после каждой контратаки силы оборонявшихся таяли. Утром 15 февраля 1563 года городские ворота открылись, и из них вышла процессия православных священников во главе с епископом Арсением. Так Полоцк объявил о своей сдаче. В результате переговоров, длившихся до вечера, Иван Грозный пообещал не трогать защитников города. После достижения договоренности о правилах сдачи навстречу русским полкам из Полоцка вышло «3907 мужского полу, а жонок и девок 7253 и обоего [пола] 11 160 человек».
Свое слово государь сдержал частично. Героически сражавшийся польский отряд был отпущен с развернутыми знаменами и оружием в руках. Командиры-ротмистры получили от Ивана богатые дары – соболиные шубы, подшитые драгоценными тканями. Репрессии сперва не коснулись и городских жителей православного или католического вероисповедания, однако затем часть горожан была уведена в Москву, в плен. Согласно ходившим в Литве слухам, вошедший в Полоцк татарский отряд вырезал попавшихся под руку монахов-бернардинцев. А полоцкие евреи, не пожелавшие принять крещение, были утоплены в реке. Так ли это – неизвестно, но современники из уст в уста передавали страшные «легенды о полоцких казнях» русского царя.
В городе был оставлен русский гарнизон во главе с князьями И. П. Шуйским, П. С. Серебряным и В. С. Серебряным. 27 февраля Иван IV покинул свои новые владения и пошел к Москве.
Победа Ивана Грозного под Полоцком в 1563 году явилась наивысшим успехом России на литовском фронте. Полоцк оказался самой дальней точкой русского продвижения на западном направлении в XVI веке. После его взятия 15 тысяч русской и татарской конницы вышли на виленскую дорогу, и между ними и столицей Литвы не было крупных крепостей. Литовцы боялись, что русские соберутся и ударят на столицу, – а оборонять ее, как уже показала практика, фактически было некому. В Польше и Литве ходила легенда о «серебряном гробе», который Иван Грозный после полоцкой победы якобы заготовил для короля Сигизмунда. Воины Ивана IV занимались грабежом и погромами окрестностей Полоцка в направлении Вильно. Банальное мародерство сочеталось с тем, что «в иные имения и села вступают и посягают [на их собственность], и людей приводят к [невольным] клятвам верности, а [тех, кто не даст такой клятвы], берут в плен». Захваченные земли и крестьян дети боярские «тянули к Полоцку».