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 ещё примерно такое же количество ратников нужно было постоянно держать на границе с Диким полем. Однако на этот раз Иван вёл с собой всех своих татарских родственников и вассалов с их ордами.
В начале января все это огромное войско потянулось к Полоцку; в обозе везли 200 пушек. Из-за плохих дорог «путное шествие» было «трудным 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 вошёл в особую милость при государе.
Как ни медленно двигалась московская рать, все же её 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 неподалёку 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 тяжёлые стенобитные пушки стреляли двадцатипудовыми ядрами. Разрушение городских укреплений вынудило гарнизон отойти в Bepxний замок; вылазка осаждённых закончилась неудачей. С 11 февраля огонь стенобитных русских батарей сосредоточился на главной крепостной башне под названием «Tёмные ворота»; лёгкие пушки били по всему городу с целью произвести пожар. Бомбардировка продолжалась двое суток, днём и ночью, «без опочиванья». На рассвете 15 февраля полоцкий замок загорелся во многих местах. Довойна с благословения епископа Полоцкого Гарабурды объявил царю, что сдаёт город. Польская часть гарнизона сопротивлялась ещё некоторое время и выговорила себе право выйти из города с оружием и войсковым имуществом. В тот же день Полоцк был занят русскими войсками.
Три дня спустя Иван вступил в покорённый город. На побеждённых посыпались милости и опалы. Пятьсот гарнизонных поляков, с жёнами и детьми, были не только отпущены согласно обещанию, но и щедро награждены за храбрость собольими шубами. Совсем другая участь ждала литовское население Полоцка. Довойна и Гарабурда лишились всего имущества и вместе с другими литовцами-католиками были уведены пленными в Россию; татары по приказу царя изрубили саблями монахов-бернардинцев; католические монастыри были разрушены. По-видимому, поляки в глазах Ивана были всего лишь врагами, честно служившими своему государю, в то время как литовцы, подобно ливонцам, стали изменниками, поднявшими руку на своего вотчинника.
Ещё более жестокая расправа была совершена над еврейской общиной Полоцка: царь велел всех «людей жидовских» с их семьями утопить в реке. Иван не был, так сказать, природным юдофобом. Долгое время при нем еврейские купцы имели свободный въезд в пределы Московского государства. По свидетельству одного современника (итальянца Тедальди), предубеждение царя против евреев возникло после того, как у каких-то еврейских торговцев среди прочих товаров была обнаружена мумия. Надо сказать, что в то время обычай мумифицирования был весьма распространён в Европе, мумиями даже торговали – многие богатые люди приобретали их в коллекционных целях, как другие редкие вещи. Но Ивану дело было представлено таким образом, что евреи приготавливают из мумии «отравные зелья» и вообще отводят людей от христианства. С тех пор царь запретил евреям торговать в России. Подобные обвинения были весьма характерны для той эпохи. Между тем, как явствует из рассказа Тедальди, подлинной причиной Московского процесса против евреев была конкуренция польских и еврейских торговцев пряностями: все дело было сфабриковано неким польским купцом.
В Польше и Литве поначалу отказывались верить сообщениям о столь бедственной участи Полоцка. Иван же в своих поступках видел только справедливое возмездие. С удовольствием величаясь «великим князем Полоцким», он писал митрополиту Макарию, что «ныне исполнилось пророчество дивного Петра митрополита, сказавшего, что Москва вознесёт руки свои на плечи врагов её!».