Петр I запретил брать Ригу штурмом, чтобы избежать излишних людских потерь: солдаты были ему дороги. В ходе бомбардировки защитники города оказались в «великом ужасе». Ответная орудийная пальба крепостной артиллерии желаемого результата не давала. В декабре от попадания бомбы взлетел на воздух крепостной пороховой погреб, отчего в осажденном городе погибло много людей.
«В 12 день в самой цитадели взорвало лабораторию с пороховою казною, о чем после показывали вышедшие из Риги, что в то время многое число людей погибло и землею засыпало».
Осада Риги затягивалась, требуя все больше усилий для подвоза боеприпасов и провианта. Генерал-фельдмаршал Б.П. Шереметев как командующий осадным корпусом в ходе бесконечных переговоров и переписок убеждал рижское гарнизонное начальство и градоначальников:
«Гордость уже неприлична шведам, и неужели бедствия не вразумляют их, что время побед для них прошло безвозвратно…»
С наступлением холодов под Ригой для ее блокады с суши остался корпус князя А.И. Репнина. Остальные полки Шереметев распустил по зимним квартирам, назначенным свыше по местам так, чтобы по весне осадные войска собрались в полном составе достаточно скоро.
Зиму генерал-фельдмаршал провел в любимой первопрестольной Москве и своих подмосковных вотчинах. В осадный лагерь под Ригой вернулся весной 1710 года. В войсках свирепствовал голод: Шереметев же писал царю, что запасов провианта хватит до лета. Опустошенные Лифляндия и Курляндия в достатке обеспечить продовольствием русские войска могли только с большим трудом. Море же продолжало оставаться в руках шведов.
Затем началась эпидемия чумы, жертвами которой стало около десяти тысяч солдат и офицеров русских осадных войск. Эпидемия попала и в стан осажденных шведов и горожан. По некоторым данным, в Риге от эпидемии и голода умерло до 60 тысяч человек. Вероятнее всего, эта цифра сильно завышена.
С началом эпидемии чумы Б.П. Шереметев приказал ввести в войсках карантин. Заставы, учрежденные на дорогах, не пропускали людей «из моровых мест». Больных военных людей изолировали от здоровых, из осадного лагеря удалили гражданских лиц. Жгли «очистительные костры» из можжевельника, дымом от которых окуривали курьеров, прибывавших в лагерь, и их почту (письма). Несмотря на эти достаточно жесткие меры, чума устрашающе косила людей.
Петр I, недовольный затягиванием осады Риги, в середине апреля, чтобы выправить положение, послал к Риге светлейшего князя А.Д. Меншикова. Тот, прибыв на место и имея полномочия от царя, ужесточил осаду: Западную Двину перегородили цепями, чтобы воспрепятствовать шведам морем снабжать и подкреплять осажденный гарнизон города. На речном берегу поставили новые артиллерийские батареи. Через месяц деятельный Меншиков уехал из-под Риги.
Рига сдалась 14 июля 1710 года: осада велась русскими настойчиво. Большие людские потери от артиллерийских обстрелов, эпидемии чумы, нехватки съестных припасов, плотная блокада принудили до этого стойко державшийся шведский гарнизон к капитуляции. Повлияло на это и крайнее недовольство горожан, в том числе вооруженных ополченцев. Извне помощь осажденной Риге прийти не могла: устье реки Западной Двины оказалось закрыто для любых морских судов из Балтики.
Согласно условиям капитуляции, королевский генерал-губернатор граф Штромберг и чиновники были выпущены из крепости с личным имуществом, городской библиотекой и архивом. Горожане могли облегченно вздохнуть: самое трудное для них военное время оставалось позади. Русский главнокомандующий от имени своего монарха обещал рижанам сохранение прежних привилегий, законность и порядок.
Шведы выходили из Риги во главе с генералом графом Штромбергом с распущенными знаменами и барабанным боем. Остатки шведского гарнизона, ополовиненного эпидемией чумы (моровой язвы), были отпущены домой в Швецию из Динамюнде на гражданских судах. За время осады в гарнизонных трех рейтарских, 7 драгунских и 12 пехотных полках осталось всего 5132 человека, из которых 2905 значились больными, не способными сражаться людьми.
Последние из гуманных соображений отпускались на родину: «Те больные отпущены на родину по трактатам с нашим штап-офицером в Динаменде-шанцам, которых там приняв, отправили морем в Швецию на транспортных судах».
Генерал-фельдмаршал Б.П. Шереметев принял решение оставить часть сдавшегося рижского гарнизона в качестве военнопленных. Такой мерой предполагалось побудить официальный Стокгольм отпустить из плена русских солдат и офицеров, захваченных в нарушение договоренности под Нарвой в 1700 году по приказу короля Карла XII. Всего было задержано 250 человек и «знамен 12».