Как нарочно, утром 29 августа, когда в лагере читали королевское воззвание, небо прояснилось, дождь прекратился, засияло солнце. Призыв короля подействовал: солдаты массами бросились под стены. Первым поджог совершил какой-то медник из Львова, прихвативший с собой котелок с раскаленными углями. На обратном пути одна из множества русских стрел, пущенных ему вдогонку, вонзилась ему в спину; однако он сумел доплыть через Полоту к своим. За этот подвиг Баторий пожаловал ему шляхетское достоинство, имение и фамилию Полотинский. Поджоги были осуществлены и во многих других местах, пламя разгорелось почти на всем протяжении стен Высокого — теперь потушить его уже не было возможности. Баторий предложил русским сдаться до полудня; за это он обещал отпустить всех ратников и жителей на волю, с семьями и имуществом, какое они будут в состоянии унести на себе.
Тотчас со стен спустилось десять перебежчиков. Они молили о пощаде, но венгры, раздраженные казнью немецких наемников, всех их умертвили. Остальные осажденные не желали сдаваться. Пламя полыхало до вечера, поэтому Баторий отложил приступ. За это время, пользуясь тем, что огонь и дым скрывали от осаждавших то, что происходило в крепости, русские насыпали вал в том месте, где прогорела стена, провели ров и поставили орудия. Наутро венгерские наемники, в надежде первыми поживиться в крепости, полезли на приступ. Русские отразили их и предприняли вылазку. В этот момент к месту битвы подъехал король в сопровождении Замойского. Они возглавили оборону и загнали русских назад в крепость. Однако этот успех едва не стоил Ба- торию жизни — русское ядро убило одного свитского, находившегося рядом с королем.
Неудачный приступ вызвал раздоры в королевском лагере. Венгры обвиняли поляков в том, что они вовремя не поддержали их; те называли предпринятый венграми штурм безрассудством. Раздоры продолжались до следующего дня. Новых приступов королевская армия не предпринимала, и только артиллерия продолжала обстрел крепости калеными ядрами.
Русские героически боролись с огнем, возводили новые валы напротив прогоревших участков стены, но силы их были на исходе. Наконец стрельцы вступили в переговоры с Баторием и сдали крепость, как этому ни противились архиепископ Киприан и воеводы, которые даже хотели взорвать пороховые погреба, чтобы погибнуть под развалинами крепости. Стрельцы не позволили им сделать это, и воеводы с владыкой заперлись в церкви Святой Софии, откуда полякам пришлось выводить их насильно.
Король предложил всем сдавшимся свободный выбор — уйти или остаться. Большинство предпочло возвратиться на родину, хотя, пишет польский участник осады, «каждый из них мог думать, что идет на верную смерть и страшные мучения». Однако, удивленно продолжает он, царь пощадил их — «или потому, что, по мнению его, они были вынуждены сдаться последней крайностью, или потому, что он сам вследствие неудач пал духом и ослабел в своей жестокости». Таково было уже тогда укоренившееся представление иностранцев о Грозном — от него ждали одного палачества, его снисходительность требовала объяснений.
Король сам следил, чтобы выходящих из крепости не трогали. Когда один солдат, надеясь остаться незамеченным в толпе, попытался отобрать имущество у какого-то полочанина, Баторий ринулся на него и прибил булавой. Сопровождать русских было поручено двум эскадронам литовских гусар и отряду запорожцев. Днем напасть на беженцев никто не осмелился, «но когда они расположились на ночлег, то всякий сброд, который потянулся за ними из войска, начал их терзать и грабить, чему помогали и посланные охранять их казаки». Узнав об этом, король «выразил сильное сожаление, что так случилось».
В Полоцке Баторию досталось 38 пушек и богатая добыча, которую солдаты выносили несколько дней, в том числе обширная библиотека, состоявшая из летописей и сочинений Отцов Церкви на древнеславянском языке, включая сочинения Дионисия Ареопагита, древнейший список «Хождения Даниила в Святую землю», древние списки Толковой Палеи и др. При разделе добычи раздоры между венграми и поляками достигли такой остроты, что, «выстроившись в боевой порядок, они едва не бросились друг на друга с обнаженными мечами». Баторию удалось предотвратить кровопролитие лишь раздачей подарков из собственной казны.
Чтобы упрочить победу, Баторию нужно было овладеть окрестными крепостями — Соколом, Туровлем и Сушей. Туда были посланы отдельные отряды. Туровль находился примерно в четырех верстах от Полоцка. Пока шла осада Полоцка, гарнизон Туровля крепко сидел в крепости, но теперь ратники разбежались. В Туровле остались одни воеводы, которые считали для себя позором покинуть крепость. Они-то и достались полякам в плен со всеми припасами и орудиями. Празднуя взятие Туровля, солдаты Батория устроили фейерверк, и крепость сгорела.