Но Баторий не унимался и решил атаковать стены города через реку Великую. На другом берегу реки было построено несколько осадных батарей. Пять дней по стенам били тяжелые пушки. В конце концов часть стены рухнула, и 2 ноября поляки по льду реки пошли на приступ. Однако русские воеводы не дремали и за пять дней подтянули к стене напротив осадных батарей несколько десятков своих пушек. Причем на сей раз русские пушкари не вели контрбатарейной стрельбы, а, замаскировав пушки, ждали штурма. В итоге подбежавшие к пролому поляки были встречены страшным залпом из пушек и ручниц. Уцелевшие бросились назад, «оставив на льду реки мост из трупов».
После 2 ноября поляки заметно приуныли, дисциплина упала, и королевское войско проспало стрелецкий полк Федора Мясоедова. Не только стрельцы, но и многочисленный обоз с продовольствием проследовал без единого выстрела через позиции осаждающих. Поляки заметили отряд, лишь когда арьергард стрельцов проходил через городские ворота.
В 3 часа ночи 6 ноября польские войска начали тихо отволакивать осадные орудия из туров и траншей. К рассвету укрепления осаждающих были пусты.
Теперь Баторию ничего не оставалось делать, как мириться. Посредником в переговорах с Иваном IV стал нунций иезуит Антоний Поссевино. Он прибыл 18 августа 1581 г. к царю Ивану в Старицу в качестве посла папы Григория XII. Вместе с ценными подарками папа прислал царю книгу о Флорентийском соборе и грамоту, где писал: «Посылаю твоему величеству книгу о Флорентийском соборе печатную; прошу, чтобы ты ее сам читал и своим докторам приказал читать: великую от того божию милость и мудрость, и разум получишь. А я от тебя только одного хочу, чтоб святая и апостольская церковь с тобою в одной вере была, а все прочее твоему величеству от нас и от всех христианских государей будет готово».
13 декабря 1581 г. в деревню Запольной Ям съехались польские и русские послы.