Поход Батория был нацелен на Полоцк, что застало русское командование врасплох. Как отмечено в «Разрядных книгах», в решающий момент русские военные силы оказались разделенными: часть войск, как уже отмечалось выше, ушла в поход «за Двину». В таких условиях трудно было рассчитывать, что русская армия сумеет остановить войско Батория и не допустит его к Полоцку. Можно было попытаться лишь усилить полоцкий гарнизон, и такая попытка была предпринята. 1 августа царь послал в Полоцк «пособляти наперед» войско во главе с окольничими Борисом Васильевичем Шейным и Федором Васильевичем Шереметевым. Воеводы должны были «одноконечно проитти» в Полоцк, но это решение запоздало: когда воеводы выступили в поход, армия Батория уже стояла под Полоцком. Остановившись в одной из близлежащих крепостей — Соколе, воеводы предпринимали оттуда нападения на отряды, рассылавшиеся из королевского лагеря в поисках продовольствия. Они создавали серьезные трудности для королевской армии, однако не смогли помешать осаде Полоцка.
Для королевской армии осада Полоцка оказалась долгой и трудной. Гарнизон храбро сражался, отбивая приступы. Для деревянной Полоцкой крепости была заготовлена новинка — каленые ядра, которые должны были поджечь деревянные укрепления, но шли дожди, и поэтому поджечь крепость никак не удавалось. Лишь 29 августа, более чем через три недели после начала осады, венгерским наемникам удалось добиться этой цели: они подожгли стены смоляными факелами. Город был уже охвачен пожаром, но гарнизон еще сутки продолжал обороняться. Затем, однако, один из воевод, Петр Волынский, и стрельцы начали переговоры о сдаче. Петр Волынский принадлежал к числу людей, обиженных царем, — по сообщению польского хрониста Рейнгольда Гейденштейна, он жаловался королю, что сидел в тюрьме по доносу главного из полоцких воевод князя Василия Телятевского. Другие воеводы вместе с архиепископом укрылись в соборе Святой Софии и были там арестованы и доставлены королю. 1 сентября Баторий въехал в город.
На этом военная кампания не закончилась. Освободившиеся после взятия города войска Баторий направил к Соколу. Военачальникам Батория снова удалось поджечь город, и 25 сентября он был взят приступом. Один из воевод, Борис Васильевич Шеин, был убит, другой, Федор Васильевич Шереметев, попал в плен.
Гнев, охвативший царя при получении известий о военных неудачах, обрушился на его советников. Об этом подробно рассказывал оршанскому старосте Филону Кмите его лазутчик в Смоленске, сын боярский Матвей Цедилов. «Вы, нечестивый род, — обличал царь своих советников, — говорили, что Полоцк и Сокол неприступны и что король не сможет захватить эти замки, и вот Полоцк и Сокол потеряны, воины и все другие люди повергнуты». Царь обвинял их в тайном сговоре с литовцами. Главной жертвой его гнева стал глава земской Думы князь Иван Федорович Мстиславский. «„Ты, старый пес, до сих пор проникнутый литовским духом, ты мне говорил, чтоб я послал тебя с сыновьями в Полоцк для противодействия польскому королю. Ясно мне (теперь) твое коварство: ты хотел нарушить присягу и подвергнуть крайней опасности моих сыновей“. И, взяв палку, стал бить необычным способом, так что по лицу и рукам потекла кровь, спина распухла, и не перестал бить, пока не сломал палку».
По здравом размышлении царь должен был понять, что посылать после проигрыша военной кампании Баторию письмо с угрозами Божьего гнева, который постигнет начавшего войну, значило бы поставить себя в смешное положение. Ход войны показал, что царь имеет дело с сильным противником, и в этих условиях следовало попытаться искать мира, хотя бы на условиях, которые фиксировали то положение, которое сложилось после утраты Полоцка.
29 ноября царь отправил Баторию грамоту, в которой выражал желание положить конец войне, предлагал прислать послов для ведения мирных переговоров и до окончания этих переговоров прекратить военные действия. Ответ Батория последовал в марте 1580 года. Если царь хочет мира, говорилось в нем, то пусть он присылает к королю своих послов. Предложение о прекращении военных действий было вообще обойдено молчанием. Характер ответа не оставлял сомнений, что Баторий вовсе не заинтересован в каких-либо мирных переговорах и Ивану IV следует готовиться к новой военной кампании. И действительно, летом 1580 года начался новый поход Батория на Россию.
Записи «Разрядных книг» и сравнительно недавно найденный источник — грамоты, направлявшиеся Иваном IV одному из воевод — Василию Дмитриевичу Хилкову летом 1580 года, позволяют составить довольно полное представление о русском плане военных действий. Большие трудности при планировании военных операций представляла полная неясность относительно замыслов Батория: пойдет ли король отвоевывать замки по Западной Двине, двинет войска на Псков или выберет путь на Смоленск. Это заставляло держать войска на самых разных направлениях и требовало долгого времени для их перегруппировки, когда намерения противника станут ясными.