В результате дела марьяжные сменились делами ратными. Первыми начали боевые действия литовцы. Гетман Радзивилл напал на русских в Ливонии и в сентябре 1561 г., после пятидневной осады, взял крепость Тарвест, но вскоре русские воеводы разбили его под Пернау (Пярну), вернули Тарвест и разрушили его.

Весь 1562 г. прошел в опустошительных набегах с обеих сторон, однако связь между обоими дворами не прерывалась. Сигизмунд не имел ни средств, ни желания вести активные боевые действия, а хотел тянуть время переговорами. В начале 1562 г. в Москву приехал королевский посол Корсак с жалобой, что Иван обижает короля и не хочет мира, и хлопотал, чтобы военные действия прекратились с обеих сторон. Иван отвечал Сигизмунду: «Во всем твоем писанье не нашли мы ни одного такого дела, которое было бы прямо написано: ты писал все дела ложные, складывая на нас неправду…»

В начале января 1563 г. сам Иван IV с большим войском двинулся к Полоцку. По разным данным у него было от 60 до 80 тысяч воинов, двести пушек и несколько тысяч крестьян (обозных). Так, только одну огромную стенобитную пушку тащили вместе с лошадьми до тысячи человек. В летописи говорится о пушке, стрелявшей двадцатипудовыми снарядами. По мнению автора, речь скорее всего идет о мортире.

31 января царское войско подошло к Полоцку и 7 февраля закончило обложение крепости.

Полоцк, построенный на высотах, в углу, образованном слиянием реки Полоты с Западной Двиной, состоял из Большого города, Острога и Стрелецкого города. Острог представлял собой отдельное укрепление из сомкнутой крепостной ограды, состоявшей из двух стен: внешней и внутренней (после взятия города была возведена еще третья стена).

В тот же день, 7 февраля, был взят Острог и выжжены все предместья, расположенные за Полотой. Этот успех облегчил дальнейший ход осады. Московское войско двинулось к стене Большого города, где ощущался недостаток продовольствия. Это заставило коменданта, воеводу Станислава Давойна, выслать из крепости двадцать тысяч мирных жителей, которые были хорошо приняты царем Иваном.

Тогда же в русском стане узнали, что на выручку Полоцку спешит Радзивилл с сорокатысячным войском. На самом деле у него было 3500 сабель и 20 пушек. Против Радзивилла для прикрытия осады был выдвинут отряд Репнина и одновременно начата бомбардировка Полоцка. К 15 февраля сгорело около 650 метров деревянной стены, после чего Давойна сдал город. А 18 февраля царь Иван въехал в Полоцк, принял титул князя Полоцкого, слушал обедню в Софийском соборе и написал митрополиту Макарию: «Исполнилось пророчество русского угодника, чудотворца Петра митрополита, о городе Москве, что взыдут руки его на плещи врагов его: бог несказанную свою милость излиял на нас, недостойных, вотчину нашу, город Полоцк, нам в руки дал».

Поведение Ивана в Полоцке было довольно противоречиво. Так, польские шляхтичи не только получили свободу, но и награждения собольими шубами и золотыми монетами. Им было поручено передать королю, что московский государь войны не желает. Местная же шляхта и простые воины были разосланы по московским городам. Среди населения пострадали евреи и католические монахи-доминиканцы. О первых Псковская летопись повествует: «Которыя были в городе люди жидове, а князь великий велел их с семьями в воду речную вметати и утопили их». А монахов-бернардинцев царские татары посекли саблями и сожгли их храм. Так в Полоцке появились первые местные католические святые – мученики Адам, Доминик и Петр.

В Полоцке царь оставил трех воевод – Петра Ивановича Шуйского, Василия и Петра Семеновичей Серебряных-Оболенских, наказав им «укреплять город наспех, не мешкая, чтоб было бесстрашно. Где будет нужно, рвы старые вычистить и новые покопать, чтоб были рвы глубокие и крутые. И в остроге, которое место выгорело, велеть заделать накрепко, стены в три или четыре. Литовских людей в город (т. е. в крепость), приезжих и тутошних детей боярских, землян и черных людей ни под каким видом не пускать, а в какой-нибудь день торжественный, в великий праздник, попросятся в Софийский собор литовские люди, бурмистры и земские люди, то пустить их в город понемногу, учинивши в это время береженье большое, прибавя во все места голов. И ни под каким бы видом, без боярского ведома и без приставов, ни один человек, ни шляхтич, ни посадский, в город не входил, в городе должны жить одни попы у церквей с своими семьями, а лишние люди у попов не жили бы».