Штурм крепости польский король назначил на 8 сентября 1581 г. В нем участвовали лучшие войска Батория. Несмотря на значительные разрушения укреплений Окольного города, находившихся на направлении вражеской атаки, штурмовые колонны были встречены сильным заградительным огнем. С большим трудом наемная польская, венгерская и немецкая пехота смогла овладеть сильно пострадавшими при бомбардировке Покровской и Свинорской башнями, однако продвинуться дальше или закрепиться в захваченных стрельницах противнику не удалось. Путь в город преграждала деревянная стена с несколькими рядами бойниц, через которые псковичи в упор расстреливали неприятельских солдат. Вскоре защитники города смогли разрушить занятые неприятельскими солдатами верхние ярусы Свинорской башни. Для этого понадобилось сделать один-единственный выстрел из «великой пушки» «Барс», установленной на Похвальском раскате. Затем, подкатив под основание полуразрушенной башни, где еще оставались враги, бочки с порохом, псковичи взорвали ее. С помощью подкопа была разрушена Покровская башня.

После этого немногие еще оставшиеся в живых польские и венгерские солдаты оставили захваченный участок стены и отступили в свои шанцы. Во время штурма атакующие потеряли до 5 тыс. человек убитыми. Ощутимыми были потери защитников Пскова: погибло 863 человека и ранено 1623 человека. Разрушенные в ходе бомбардировки и штурма городские укрепления восстановили и усилили дополнительными защитными сооружениями — прочной деревянной стеной и рвом с частоколом из заостренных дубовых кольев.

Несмотря на неудачу, поляки не сняли осаду города. Установив у Мирожского монастыря на левом берегу реки Великой и в Завеличье тяжелые орудия, 24 октября противник начал обстрел города калеными ядрами, но начавшиеся в крепости пожары псковичи быстро потушили.

Осенью и зимой 1581–1582 гг. поляки 31 раз поднимались на штурм русской твердыни, но безрезультатно. Каждый раз с большими потерями они откатывались назад, теряя веру в успех. Во время вражеских атак псковичи отчаянно сопротивлялись и неизменно побеждали. Решив, что самым слабым местом в обороне Пскова является его стена, выходящая к реке Великой, противник именно здесь решил нанести очередной удар. 28 октября венгерские гайдуки, пройдя вдоль реки к откосу, на котором стояла городская стена между угловой башней и Покровскими воротами, стали ломами и кирками подкапывать ее подошву. Вскоре часть укреплений обрушилась. Но за подрубленной стеной открылась еще одна, перед которой был вырыт ров. Вражеские солдаты попытались штурмом овладеть второй линией укреплений, но защитники Пскова забросали их кувшинами с зельем (порохом). На атакующих лили кипяток и горячую смолу, кидали камни, в упор расстреливали из ручниц. Понеся большие потери, противник прекратил штурм и отступил.

Военные неудачи польской армии усугублялись наступившими холодами, болезнями, трудностями связанными со снабжением войск провиантом и боеприпасами. Последнюю попытку взять город противник предпринял в начале ноября, после новой 5-дневной бомбардировки Пскова. Городская стена была во многих местах разрушена и не представляла серьезной преграды для атакующих. Но поляков, перешедших по льду замерзшую реку Великую, встретил настолько плотный огонь, что они вынуждены были остановиться, а затем отойти обратно.

Не удались врагу попытки разрушить укрепления Пскова с помощью пороховых мин. Защитники города обнаружили их с помощью специальных колодцев «слухов», служивших для определения направления и глубины подземных работ противника. Большинство тайных подкопов поляков обнаружили, два из них псковичи взорвали с помощью подведенных под эти подкопы встречных галерей, остальные завалились сами.

Последним аккордом кампании этого года стала неудачная попытка польской армии захватить Псково-Печерский монастырь, который защищал небольшой отряд стрельцов (ок. 300 человек) под командованием стрелецкого головы Нечаева. Артиллерийским огнем была разрушена часть монастырской стены, но 28 октября во время штурма обители противник понес ощутимые потери и отступил. Среди попавших в плен воинов Батория оказался Вильгельм Кетлер — племянник курляндского герцога Готтарда Кетлера.

6 ноября Стефан Баторий приказал остановить осадные работы под Псковом, прекратить бомбардировку и отвести с батарей орудия. Польской армии предстояла трудная военная зима в славящейся морозами и снегами России. Это решение означало полный крах завоевательных планов польского короля и едва не привело к фатальным результатам. Еще более осложнил обстановку отъезд Батория в Литву. 1 декабря он оставил лагерь под Псковом, передав командование армией гетману Яну Замойскому.

Единственным, кроме захвата в начале похода небольшой крепости Острова, успехом армии Батория в походе 1581 г. стал рейд, совершенный конным 3-тысячным войском Христофора Радзивилла и Филона Кмиты в глубь русской территории. Перейдя границу, неприятельские отряды достигли окрестностей Ржевы Володимеровой и верхневолжских городов Зубцова и Старицы. Иван Грозный, находившийся тогда с главной русской армией в Старице, мог видеть зарево пожаров, поднимающихся над сожженными литовцами русскими селениями, но никаких ответных действий не предпринял. По-видимому, именно нападение Х. Радзивилла и Ф. Кмиты окончательно убедило русского царя в безнадежности дальнейшей войны с Речью Посполитой. Несмотря на поражение главной польской армии под Псковом, Иван Васильевич принял решение любой ценой заключить мир со Стефаном Баторием.

Такое же решение принял и польский король. Пойти на мирные переговоры с Россией его вынудили героическая оборона Пскова и настойчивое посредничество иезуита Антония Поссевино (представителя римского папы Григория XIII), стремившегося убедить московского царя пойти на унию с римско-католической церковью. Начались переговоры в середине декабря 1581 г. в Яме Запольском, расположенном в деревне Киверова Гора на Луцкой дороге между Порховом и захваченном поляками псковским пригородом Заволочьем. Съезды послов завершились 5 января 1582 г. заключением десятилетнего перемирия. Польские комиссары согласились уступить Московскому государству захваченные ранее их армией Великие Луки, Заволочье, Невель, Холм, Ржеву Пустую и псковские пригороды Остров, Красный (в списке Поссевино «Красный Городок»), Воронеч, Велью. Особо оговаривалось, что возвращению подлежали русские крепости, осаждавшиеся на тот момент войсками польского короля, в случае захвата их неприятелем: Врев, Владимерец, Дубков, Вышгород, Выборец, Изборск, Опочка, Гдов, Кобылье городище и Себеж. Предусмотрительность русских послов оказалась нелишней: согласно этому пункту поляки возвратили захваченный город Себеж. Со своей стороны Московское государство согласилось на передачу Речи Посполитой всех занятых русскими войсками городов и замков в Ливонии, каковых оказалось 41. Так, Стефан Баторий закрепил за своим королевством большую часть Прибалтики. Ему также удалось добиться признания своих прав на Полоцкую землю, на города Велиж, Усвят, Озерище, Сокол. В июне 1582 г. условия Ям-Запольского перемирия были подтверждены на переговорах в Москве, которые вели польские послы Януш Збаражский, Николай Тавлош и писарь Михаил Гарабурда. Стороны договорились датой окончания действия заключенного в Яме Запольском перемирия считать не «Крещение Христово» (6 января) 1592 г., а день св. Петра и Павла (29 июня) 1592 г.