Русские оказались между двух огней. Собранная в Пскове рать насчитывала немногим более 30 тысяч человек. Ей противостояло более 50 тысяч поляков и шведов.
Не зная, что предпринять, Иван IV послал на помощь Полоцку «легких» воевод Бориса Шеина и Федора Шереметева. Воеводам был придан отряд донцов Миши Черкашенина. Ратные люди и казаки должны были «засесть» в Полоцке. Но приказ запоздал. Ратным людям не удалось пробиться в крепость.
Следом за Шеиным на выручку к осажденным двинулся лучший из воевод князь Хворостинин. Но время было упущено. Баторий осадил Полоцк и приказал бомбардировать город калеными ядрами. Защитники Полоцка проявляли редкое мужество. Не только воины, но и жители — старики, женщины, дети — с опасностью для жизни тушили пожар. Невзирая на пушечную пальбу, они не раз спускались по веревкам за стены. Сверху им подавали воду в бадьях. Смельчаки заливали огонь, подбиравшийся к стенам снаружи. Многие гибли. Но на их место тут же заступали другие. Сам Баторий в своих манифестах признал: в борьбе за Полоцк москвитяне доказали, что в деле защиты крепостей они превосходят все прочие народы.
Осада затягивалась. Армия Батория таяла. Осажденные предпринимали вылазки и наносили неприятелю ощутимый урон. Однако в конце концов королевским наемникам удалось поджечь стены. Пожар не утихал день и ночь. Зарево пожара ярко освещало небо. Огонь причинил такие повреждения крепости, что оборонять ее стало невозможно. Тогда дети боярские и стрельцы начали переговоры о сдаче крепости. Они требовали, чтобы король предоставил им право покинуть город и вернуться к своим. Баторий принял их условия.
Между тем царь Иван IV неподвижно стоял в Пскове, по временам рассылая полки по разным дорогам. Не только воеводы Полоцка, но и Шеин с ратниками и казаки были брошены на произвол судьбы. Они не могли выдержать столкновения с главными силами Батория, но не получали приказа об отступлении. В результате русский отряд подвергся поголовному истреблению. Шеин и другие воеводы были убиты на поле брани.
Шереметев с уцелевшими дворянами пытался бежать по псковской дороге. Поляки настигли его и взяли в плен.
Из всего отряда избежали разгрома лишь донские казаки. Они не стали ждать от царя приказа об отступлении, но действовали, как им подсказывали обстоятельства, решая все своим умом. Казаки не приняли боя с противником, располагавшим подавляющим превосходством сил, и ушли на Дон.
Избежавшие плена младшие воеводы поспешили возложить на казаков всю ответственность за поражение. «И государю пришла весть, что донские казаки все изменили, воевод не послушали… пошли на Дон». На самом деле ответственность за полоцкое поражение несли не казаки, а царь.