Царь лично возглавил московскую рать. Силы собрались огромные: современники пишут о 300 000 воинов. Это, конечно, преувеличение, но цифру в 60 000 или 80 000 человек можно считать вполне вероятной. Собственно русских людей в этом войске вряд ли могло быть больше 60 000, так как еще примерно такое же количество ратников нужно было постоянно держать на границе с Диким полем. Однако на этот раз Иван вел с собой всех своих татарских родственников и вассалов с их ордами. В разрядных росписях по полкам читаем, что в Государевом полку (в царской гвардии) с царем находился Александр Сафа-Киреевич (Утемиш-Гирей); в Большом полку — князь Семен Палецкий, а с ним «царев Шигалеев двор и Темниковские князи и мурзы и казаки»; в полку Правой руки — «царь Симеон Касаевич Казанский… да князь Василек Черкасский и с черкасскими людьми… да служилые татарове…»; в Передовом полку — «царевич Тохтамыш да царевич Бекбулат, да ногайские мурзы Тахтар-мурза, Темир-мурза, Булат-мурза, Бебезян-мурза, Уразлыевы дети, и иные многие мурзы и казаки ногайские и крымские…»; в полку Левой руки — «царевич Кайбула… да князи и мурзы и казаки Кадомские»; в Сторожевом полку — «царевич Иоак»; в ертоуле — «ногайские татарове, которые пришли ко царю и великому князю от Измаила князя в посольство, Бекчюра с товарищи да астраханские князи и мурзы и казаки». Как видим, Иван умело возместил отсутствие тех русских воинов, которые остались сторожить степные границы Московского государства. Такое широкое использование мусульманских сил было, конечно, напрямую связано со вторым браком царя.
В начале января все это огромное войско потянулось к Полоцку; в обозе везли 200 пушек. Из-за плохих дорог «путное шествие» было «нужным и тихим» — за две недели удалось преодолеть всего полтораста верст. Полки и телеги не умещались на узкой Полоцкой дороге, застревали в лесах и среди болот; под конец пехота, конница, обозы — все перемешалось, движение застопорилось. Царь с воеводами разъезжал туда-сюда и «разбирал» людей по полкам. Наведению порядка особенно порадел расторопный обозный воевода князь Афанасий Иванович Вяземский, который с этих пор вошел в особую милость при государе.
Как ни медленно двигалась московская рать, все же ее вступление в Литву оказалось полной неожиданностью для Сигизмунда; король не поверил первому известию о вторжении. Никакой помощи Полоцку оказано не было. Литовский гетман Радзивилл с незначительными силами остановился неподалеку от города, но вступить в бой с царским войском не решился. Полоцкий комендант Довойна был вынужден обороняться, имея под началом всего 2000 воинов и 20 орудий.
Довойна сразу совершил важную ошибку. Заметив, вероятно, в посадском населении Полоцка сочувствие к москвичам (большинство полочан было русскими), он велел зажечь посад и не пускать в город посадских людей. Погорельцы побежали в русский лагерь и указали воеводам запасы хлеба, укрытого под городом в глубоких ямах. Завладев спрятанными припасами, русские в конце января приступили к осаде. В первых числах февраля 200 русских орудий открыли канонаду; некоторые тяжелые стенобитные пушки стреляли 20-пудовыми ядрами. Разрушение городских укреплений вынудило гарнизон отойти в Верхний замок; вылазка осажденных закончилась неудачей. С 11 февраля огонь стенобитных русских батарей сосредоточился на главной крепостной башне под названием «Темные ворота»; легкие пушки били по всему городу с целью произвести пожар. Бомбардировка продолжалась двое суток, днем и ночью, «без опочиванья». На рассвете 15 февраля полоцкий замок загорелся во многих местах. Довойна с благословения епископа Полоцкого Гарабурды объявил царю, что сдает город. Польская часть гарнизона сопротивлялась еще некоторое время и выговорила себе право выйти из города с оружием и войсковым имуществом. В тот же день Полоцк был занят русскими войсками.