Неудача вынудила польских пушкарей сменить тактику: теперь они сосредоточили огонь на самой верхушке стены и зажгли несколько бойниц. Пожар произвел впечатление на Сицкого, и он сделался сговорчивее, согласившись вести переговоры на месте. Вторая аудиенция была дана ему 2 сентября. Сицкий произнес весьма длинную речь, которая полякам показалась бессвязным бормотанием, ибо он говорил о том, что, по их мнению, совсем к делу не шло: посол излагал ход переговоров между обоими государями с начала царствования Батория и в конце концов потребовал, чтобы король возвратил Полоцк и не вступался в Ливонию и Курляндию — за это царь соглашался дать Баторию титул короля и брата. Баторий насмешливо отвечал, что заключит мир лишь при условии, что царь не только оставит за ним Полоцк, но отдаст в придачу Северскую землю, Псков, Новгород, Смоленск, всю Ливонию и покроет военные издержки. Сицкий сказал, что царь готов уступить 24 города в Ливонии и в обмен на пленных — взятые Баторием русские крепости. Однако ему возразили, что это не уступка, ибо все это уже в руках короля. Тогда Сицкий заявил, что на этом его полномочия исчерпаны и ему нужно послать к царю за новым наказом. Баторий согласился пропустить гонца.
Между тем пожар на стенах прекратился: дойдя до дерна, огонь потух сам собой. Баторий приказал венгерским наемникам копать подземный ход, чтобы подвести под стены мину. Замойский думал по-другому: он полагал, что в болотистой почве вести подкоп невозможно, и продолжал попытки поджечь крепость. Обнаружив, что одна из крепостных башен сильно выдается вперед из общей линии городских укреплений, так что осажденные не могут вести боковой огонь по атакующим ее, он сосредоточил на ней свои усилия. Его солдаты подвели к этой башне ров. Несколько дней они пытались кирками и заступами очистить стену от дерна; русские старались помешать им ружейным огнем и вылазками. Все-таки полякам удалось сделать у подножия башни подкоп, в котором могло поместиться 30 человек.
Наступило 4 сентября. На рассвете венгры заложили порох в свой подкоп; солдаты Замойского приготовили дрова, обернутые паклей и облитые серой и смолой. В город на стреле полетела записка с предложением сдаться. Ответа не было. Спустя некоторое время в лагерь Замойского пробрался перебежчик из города. Он показал, что русские заметили подкоп, но контрмину не подвели, а только приготовили трубы для тушения огня. Замойский приказал одеть предателя в роскошные одежды, чтобы осажденные могли видеть королевскую милость, и отослал назад, под стены, уговаривать русских сдаться. В ответ со стен раздались ругательства; ратники и жители кричали, что скорее дадут себя распять, чем послушаются совета изменника.
К вечеру венгры приблизили подкоп к самой городской стене. Баторий, лично наблюдавший за работами, сказал своей свите: «Вот увидите, что мои пехотинцы скоро зажгут эту стену». Действительно, не прошло и четверти часа, как из-под земли с грохотом вырвался громадный столп огня, который, казалось, уже ничем нельзя было потушить. В королевском лагере начали готовиться к штурму, ожидая приказа о выступлении с минуты на минуту. Но русские, действуя необычайно энергично, все-таки потушили пожар, в чем им помог дождь, который шел всю первую половину ночи. Среди солдат Батория распространилось уныние; кое-кто начал поговаривать, что крепость неприступна.
Тем временем в лагере Замойского произошли решающие события. Вечером, когда венгерские наемники заканчивали свой подкоп, Замойский стал вызывать охотников поджечь крепость. Желающих набралось человек сорок. Взяв лучины и смолу, они подошли к башне: одни принялись зажигать стену снизу, другие, с зажженными факелами, полезли по лестницам наверх, не обращая внимания на выстрелы. Они добрались до бойниц, через которые русские принялись колоть их копьями; но поляки хватались за копья руками и вырвали пять штук; кроме того, они завладели двадцатью висевшими на стене воловьими шкурами, которыми осажденные собирались тушить огонь. Их усилия не пропали даром: пламя мало-помалу разгорелось и охватило башню.
В обоих лагерях забили тревогу, солдаты начали строиться и выходить на позиции. Русские пытались тушить пожар, но поляки бросали в огонь смолу и серу; поднявшийся ветер раздувал пламя. Огонь перекинулся на церковь Спасителя, находившуюся рядом с башней, а потом и на другие здания. Борьба с пожаром продолжалась всю ночь. Наконец, потеряв надежду унять огонь, осажденные на рассвете стали кричать, что желают сдаться без всяких условий на милость победителя. Баторий приказал солдатам помогать русским ратникам тушить огонь, пока жители выходят из крепости. В первой партии Великие Луки покинуло около 500 человек; каждый нес в руках образок.