Была составлена «осадная городовая роспись», в которой гарнизон расписали по башням и «пряслам» (участки стены между башнями) крепостной стены. Весь гарнизон воевода Михаил Шеин разделил на осадную (около 2 тысяч человек) и вылазную (около 3,5 тысячи человек) группы. Осадная группа состояла из 38 отрядов примерно по 50 ратников в каждом. Каждый отряд получал для обороны башню и прилегающий к ней участок стены. Вылазная группа составила общий резерв, имевший очень большое значение для обороны столь обширной крепости. Резерв был в полтора раза сильнее осадной группы. В ходе обороны Смоленска гарнизон пополнялся из населения города, численность которого составляла примерно 40–50 тысяч человек, включая и жителей сожженного при подходе поляков пригородного посада. Оборона началась 19 сентября 1609 года.
Интервенты сосредоточили против немногочисленного гарнизона крепости до 50 тысяч конницы и пехоты. Король, гетман Станислав Жолкевский, литовский канцлер Лев Сапега, магнаты Потоцкий, Дорогостатский сравнивали Смоленск со зверинцем, который легко будет взять. Но в польском стане недооценивали мощи крепости, готовности смолян биться до последней капли крови, твердости их воеводы.
Трехдневный штурм крепости не принес успеха Сигизмунду III. Он решил принудить гарнизон к капитуляции голодом. Началась 20-месячная героическая оборона Смоленска, вошедшая славной страницей в историю нашей Родины.
Город стад подвергаться методическому обстрелу, на что смоленские пушкари отвечали не без успеха. Началась минная война. Поляки подвели подземные минные галереи, защитники — контрминные и. взрывали вражеские. 16 января 1610 года смоленские минеры докопались до польской галереи, установили пищаль, встретили противника огнем, а затем взорвали подкоп. 27 января под землей произошла новая встреча с врагом. Смоленские ратники установили теперь в галерее более мощную пищаль и зарядили ее ядром со «смрадным» составом (селитра, порох, сера, водка и другие вещества). Подкоп был взорван.
Защитники крепости постоянно беспокоили стан врага дерзкими вылазками, в том числе и для добывания воды и дров. Однажды горстка храбрецов переправилась через Днепр, проникла в польский лагерь, захватила там штандарт одного из отрядов и благополучно вернулась назад. В лесах под городом действовали многочисленные партизанские отряды смоленских крестьян. Один из них, под командованием Трески, насчитывал почти 3 тысячи человек. Партизаны уничтожали польских фуражиров, смело нападали на интервентов.
Сигизмунд III за время осады заметно увеличил свои силы. С мая 1610 года из Риги стали прибывать орудия крупного калибра. Подошла основная масса шляхтичей из тушинского лагеря. Увеличилось количество ландскнехтов — немецких наемников. Но, несмотря ни на что, защитники крепости отбивали штурмы королевских войск, нанося им ощутимый урон.
Свыше двадцати месяцев смоляне мужественно обороняли сбой город. То, что не смогли сделать войска интервентов и дипломатия польского короля через предателей-бояр, которые убеждали Шеина сдаться, сделали свирепствовавшие в осажденной крепости голод и цинга: из многочисленного населения Смоленска в живых осталось едва ли 8 тысяч. К началу июня 1611 года в гарнизоне насчитывалось всего 200 человек, способных сражаться. Каждому ратнику приходилось наблюдать и оборонять 20–30-метровый участок крепостной стены. Резервов не было. Надежды на помощь извне тоже.
Вечером 2 июня 1611 года начался последний штурм города. Изменник-перебежчик смоленский помещик Дедешин указал слабое место в западной части крепостной стены. Один из рыцарей Мальтийского ордена взрывом обрушил часть стены. Через пролом поляки ворвались в город. Одновременно в другом месте немецкие наемники по лестницам забрались на ту часть крепостной стены, которую даже по ночам некому было охранять.
Горсточка защитников Смоленска во главе с воеводой Михаилом Шеиным оказала героическое сопротивление врагу. Последним опорным пунктом обороны был собор, в подвалах которого хранились запасы пороха. Смоляне, укрывшиеся в соборе (около 3 тысяч человек), подожгли его и взорвали себя вместе с врагами. Раненого Шеина, засевшего с горсткой воинов е одной из крепостных башен, поляки взяли в плен и подвергли жестоким пыткам. Во время допроса мужественного воеводу спросили, кто ему советовал и помогал так долго держаться в Смоленске? На что он ответил: «Никто в особенности, потому что никто не хотел сдаваться». Шеина отправили в Литву. Там его в течение девяти лет держали в кандалах.
Оборона Смоленска показала, на какой героизм и самопожертвование способны русские люди, поднявшиеся на борьбу с иноземными захватчиками. Героев Смоленска ставил в пример своим ратникам воевода Дмитрий Пожарский. В Нижнем Новгороде, как и во всех уголках русской земли, с тревогой и болью следили за ходом обороны города-крепости. Его защитники стали для Кузьмы Минина и нижегородцев образцом воинского мужества, доблести в славы, вселяя веру в грядущее освобождение страны от интервентов.