Главным воеводой, возглавившим оборону Смоленска, был Михаил Борисович Шеин, отличившийся в сражении 1605 года под Добрыничами, где русское войско нанесло сокрушительное поражение Лжедмитрию I. Назначенный после этой победы воеводой передового полка, М. Б. Шеин в 1607 году получил высший в то время чин боярина, а в следующем году занял одну из самых ответственных должностей в государстве — стал главным воеводой в Смоленске. Обладая богатым боевым опытом, он отличался личной храбростью, твердостью характера, упорством и настойчивостью, имел обширные знания в области военного дела.

Непосредственная подготовка Смоленска к обороне началась еще летом 1609 года, когда М. Б. Шеин получил от агентурной разведки сведения о том, что "короля чают под Смоленск к Спасову дни" (т. е. к 9 августа). И хотя эти данные оказались не совсем точными, работы по укреплению крепости продолжались. В середине августа Шеин отдал приказ о наборе даточных людей, а к концу месяца разработал план обороны крепости ("осадную городовую роспись"), в соответствии с которым гарнизон делился на две группировки войск: осадную (2000 человек) и вылазную (около 3500 человек). На осадную, включавшую 38 отрядов (по числу башен) по 50—60 ратников и пушкарей каждый, возлагалась оборона крепостной стены. Вылазная составляла общий резерв и предназначалась для вылазки и усиления наиболее угрожаемых направлений при отражении атак противника.
С приближением врага к Смоленску окружавший город посад (до 6000 деревянных домов) по приказу Шеина был выжжен. Это, с одной стороны, создало более благоприятные условия для обороны (улучшились обзор и обстрел, противник лишался укрытий), а с другой — в два раза сократило жилой фонд Смоленска, в результате чего создалась большая скученность людей, что грозило быстрым истощением продовольственных запасов.

Для ночного штурма противник выделил пехотные роты наемников и лучшие конные хоругви. Чтобы отвлечь внимание обороняющихся от намеченных к взрыву ворот, гетман приказал открыть ружейно-артиллерийский огонь по всему фронту.
Об успешном выполнении задачи минеры должны были возвестить сигналом трубы, являвшимся одновременно сигналом начала штурма.

Вечером 24 сентября польское войско построилось в боевой порядок, расположив главные силы перед восточными (Авраамиевскими) и западными (Копытицкими) воротами. С наступлением темноты минеры (их было двое — по одному на каждые ворота) в сопровождении трубачей направились к намеченным объектам. Но добраться до ворот и выполнить задачу удалось только одному. Мощным взрывом петарды Авраамиевские ворота были разрушены. Однако трубача возле минера этот момент не оказалось, условный сигнал подан не был, и изготовившиеся к штурму войска не тронулись с места. Тем временем защитники восточной стены крепости зажгли на ней факелы, осветили противника, и крепостная артиллерия открыла по нему огонь. Находившиеся в плотных построениях вражеская пехота и конница понесли тяжелые потери и в панике отступили. Попытка врага внезапно ночью ворваться в крепость была сорвана. Решающую роль в этом сыграли высокая боеготовность гарнизона, его бдительность, быстрые и решительные действия.
Потерпев неудачу на восточном фасе, противник перенес основные усилия на северный и западный участки крепостной стены. Штурм Смоленска продолжался три дня (25—27 сентября). Наиболее ожесточенные бои развернулись на севере — у Днепровских и Пятницких и на западе — у Копытицких ворот. Но и здесь все атаки врага были отражены с большими для него потерями. Особенно важную роль в достижении успеха сыграли быстрый маневр резервом на наиболее угрожаемые участки обороны, умелые и тщательно продуманные действия воеводы. Отражая вражеские атаки, защитники крепости продолжали совершенствовать ее оборону: поврежденные в ходе боя сооружения немедленно восстанавливались; ворота, без которых можно было обойтись, засыпались землей и камнями; срубы перед ними укреплялись палисадами с выставлением у них сильных караулов.
27 сентября, когда к Смоленску подошло войско запорожских казаков, Сигизмунд III начал подготовку к новому штурму. Основные надежды при этом он возлагал на технические средства. Поэтому под прикрытием артиллерийского обстрела в течение недели велись инженерные работы. Однако эффективность огня оказалась невысокой, так как польская армия не имела тяжелой осадной артиллерии, а орудия малых калибров не способны были причинить серьезного ущерба укреплениям.
Защитники города, имея огневое превосходство, наносили противнику серьезный урон, особенно при подходе его на близкое расстояние к городу. Тяжелые орудия крепости несколько раз обстреливали даже королевский лагерь. В создавшейся ситуации Сигизмунд III вынужден был отказаться от штурма и с 5 октября перешел к осаде.

Инженерные работы врага также не достигли цели, хотя и руководили ими иностранные специалисты. Узнав, что противник заложил минные галереи и ведет их в нескольких направлениях, М. Б. Шеин приказал оборудовать дополнительные "слухи", усилить разведку на подступах к крепости, развернуть контрминные работы. 16 января 1610 года смоленские минеры докопались до польской галереи, уничтожили находившегося там противника, а затем взорвали подкоп. По мнению видного советского военного историка Е. А. Разина, это был первый в истории военного искусства подземный бой. Через несколько дней (27 января) под землей произошла новая встреча с врагом. На этот раз смоляне установили в галерее легкую пушку, зарядили ее ядром, начиненным "смрадным" составом , и ударили по противнику. Уцелевшие вражеские минеры в панике бежали. После этого подкоп был взорван. Вскоре смоляне взорвали еще один подкоп врага, доказав бесполезность ведения против них минной войны.
Следует отметить высокую активность обороняющихся, о чем свидетельствуют их многократные вылазки, в которых участвовали сотни воинов. Чаще всего они практиковались с целью доставки из Днепра воды, так как ее в крепости не хватало, или она была низкого качества. С наступлением холодов главной целью вылазок стала добыча дров. История сохранила подробности лишь об одной из наиболее дерзких вылазок, когда шестеро смолян днем перебрались на лодке через Днепр, незаметно пробрались в лагерь врага, сорвали королевское знамя и благополучно вернулись назад.
В тылу врага развернулась партизанская война смоленских крестьян. Укрываясь в лесах, партизаны оказывали значительную помощь осажденному гарнизону: нападали на фуражиров и небольшие группы противника. Некоторые партизанские отряды были довольно многочисленными. Например, отряд Трески насчитывал до 3000 вооруженных крестьян.
Важную роль в организации партизанского движения на Смоленщине сыграл выдающийся русский полководец начала XVII века князь М. В. Скопин-Шуйский, направивший в смоленские леса 30 ратных людей с задачей формирования из крестьян партизанских отрядов и дезорганизации тыла противника.
Осада затянулась. Прошла зима. Наступила весна 1610 года. Стойкая оборона Смоленска сковывала главные силы интервентов, не давая им возможности двинуться на Москву. Это позволило М. В. Скопину-Шуйскому одержать ряд побед, очистить от врага обширные области на северо-западе страны, ликвидировать Тушинский лагерь Лжедмитрия II и в марте 1610 года освободить от осады Москву. Однако через месяц с небольшим после торжественного вступления в столицу молодой талантливый полководец неожиданно умер. Смерть настигла его, когда он энергично готовился к новому походу с целью освобождения от осады Смоленска. Было ему всего 23 года. Командование армией поручили брату царя Василия Шуйского — Дмитрию, которого народная молва обвиняла в отравлении Скопина-Шуйского.
В мае 1610 года русская армия (около 30 тыс. человек, в том числе 5—8 тыс. шведских наемников) во главе с Д. И. Шуйским выступила в поход с целью деблокады Смоленска. Однако 24 июня в сражении у деревни Клушино (20 км севернее Гжатска) 20-тысячная русская рать была наголову разбита 9-тысячным корпусом польского гетмана С. Жолкевского. Причинами поражения явились бездарность командующего армией Д. И. Шуйского и предательство в решающий момент сражения отряда шведских наемников. Прямым следствием поражения при Клушине явилось свержение царя Василия Шуйского (июль 1610 г.) и переход власти в руки боярского правительства ("Семибоярщина"), заключившего в августе договор с С. Жолкевским и признавшего русским царем польского королевича Владислава (сына Сигизмунда III). Одним из условий договора было снятие поляками осады Смоленска. Однако ратификация договора польским королем затягивалась. Тем временем, опасаясь народного восстания в столице и не доверяя русским войскам, боярское правительство в ночь на 21 сентября 1610 года впустило поляков в Москву, свершив тем самым акт национальной измены.
Пока происходили эти драматические события, гарнизон Смоленска продолжал стойко обороняться. Бедствия осажденных, голод и эпидемии не сломили их мужества. Наибольшие тяготы несли посадское население и укрывшиеся в городе крестьяне, составлявшие основную силу обороны. В то время как силы защитников крепости иссякали, к врагу прибывали все новые и новые подкрепления. Весной 1610 года под Смоленск прибыли польские отряды, служившие ранее Лжедмитрию II. Подошли и значительные подкрепления из Польши. Всего интервенты получили 30 тыс. человек подкрепления. Надежды на помощь извне у защитников города постепенно таяли, а после поражения деблокадной армии при Клушино и вовсе пропали. Однако все попытки врага склонить гарнизон и жителей к капитуляции успеха не имели.
В июле противник возобновил инженерные работы, одновременно применив осадную артиллерию и стенобитные машины. Заложив траншеи, он начал продвигаться башне у Копытицких ворот. Защитники Смоленска повели контрапроши (траншеи для противодействия продвижению противника по укрытым ходам-апрошам) и уничтожили часть вражеских траншей. Хотя враг все-таки достиг башни, все его усилия пробить брешь в ее прочном основании ни к чему не привели (ему удалось это сделать лишь 18 июля, сосредоточив здесь почти всю осадную артиллерию). 19 июля на рассвете польская армия начала штурм Смоленска, который продолжался два дня. Ведя демонстративные действия на всем фронте, враг силами немецких ландскнехтов нанес главный удар с запада — в районе Копытицких ворот. Несмотря на его отчаянные усилия, защитники отразили штурм. Решающую роль в этом сыграл своевременный ввод резерва на важнейших участках.
Наиболее ожесточенным был штурм Смоленска 11 августа. В ходе его интервенты потеряли до 1000 человек только убитыми и опять потерпели неудачу. Решающую роль в отражении врага опять сыграл резерв. Четвертый штурм, предпринятый врагом 21 ноября, также был успешно отражен смолянами.
Зимой 1610/11 года положение Смоленска резко ухудшилось. К голоду и эпидемиям добавился холод, так как некому было добывать топливо. В довершение всего начал ощущаться недостаток в боеприпасах. К началу июня 1611 года в гарнизоне осталось всего лишь 200 человек, способных держать в руках оружие. Их едва хватало только для наблюдения за стенами.
Польское командование, видимо, недостаточно хорошо было осведомлено о состоянии дел в крепости. Решение на пятый штурм оно приняло лишь после того, как один перебежчик, некто А. Дедешин, рассказал о бедственном положении гарнизона и указал наиболее слабое место обороны в западной части крепостной стены. В последние перед решительным штурмом дни противник подверг крепость интенсивному обстрелу. Однако его эффективность была незначительной. Лишь в одном месте удалось пробить небольшую брешь в стене. Вечером 2 июня вражеские войска заняли исходное положение. Их превосходство было огромным: только одна рота немецких ландскнехтов, имевшая численность 600 человек, втрое превосходила весь гарнизон Смоленска. А таких рот в польской армии было более десяти. Кроме них имелись еще польские войска, отряды запорожцев, татар и другие.
Ровно в полночь, соблюдая тишину, враг двинулся вперед. В районе Авраамиевских ворот ему удалось незаметно взобраться по штурмовым лестницам на стену и ворваться в крепость. В это время немецкие наемники попытались проникнуть в крепость через брешь, пробитую накануне в стене. Но здесь дорогу им преградили несколько десятков русских воинов во главе с воеводой М. Б. Шейным. В ожесточенной схватке почти все они пали смертью храбрых. Несколько человек, в том числе и раненный в бою воевода, оказались в плену. М. Б. Шеин был закован в цепи, подвергнут пыткам, а затем отправлен в Литву. В плену он пробыл 9 лет.
Взорвав часть крепостной стены в том месте, где указал предатель, противник ворвался в город и с запада. На улицах пылающего города завязалась яростная борьба. Силы были явно неравны. К утру, враг овладел Смоленском. Последние его защитники отступили на Соборную горку, где возвышался величественный Успенский собор. В его подвалах хранились пороховые запасы крепости. В стенах собора укрылись до 3000 горожан. Когда все защищавшие Соборную горку пали в неравном бою и озверевшие ландскнехты ворвались в собор, раздался мощный взрыв. Под дымящимися руинами вместе с врагами погибли находившиеся там и не пожелавшие сдаться в плен смоляне. Эти безвестные русские патриоты предпочли смерть неволе. Так после 20-месячной героической обороны, исчерпав до конца свои оборонительные возможности, Смоленск пал. То, чего не мог сделать враг, сделали голод и болезни. В ходе обороны погиб весь гарнизон крепости. Из 80 тыс. жителей города и укрывшихся в нем людей в живых осталось едва 8000.
После взятия Смоленска Сигизмунд III не решился идти на Москву. Его деморализованная армия, значительную часть которой составляли разноплеменные наемники, уже давно не получавшие жалования, не была способна на новый, еще более трудный поход. Распустив войско, польский король вернулся в Варшаву.
Оборона Смоленска сыграла важную военно-политическую роль в борьбе Русского государства с военной интервенцией. Она почти на два года сковала главные силы врага, сорвала его план оккупации жизненно важных центров страны и тем самым создала условия для успешной национально-освободительной борьбы русского народа. Непоколебимая стойкость защитников Смоленска вдохновила все народы России на борьбу с агрессорами, и в этом ее огромное значение. С точки зрения военного искусства оборона Смоленска является классическим образцом обороны крепости. Хорошая подготовка крепости к обороне позволила ее защитникам без какой-либо помощи извне, лишь рассчитывая на собственные силы и средства, успешно выдержать осаду численно превосходящего противника, отразить несколько штурмов польской армии и настолько истощить ее силы, что после овладения Смоленском она, по существу, утратила свои наступательные возможности. Только слабость тогдашнего русского правительства, прямое предательство национальных интересов отдельными группировками правящего класса, бездарность высшего военного руководства позволили врагу, в конечном счете добиться успеха и овладеть крепостью. Не военное искусство интервентов, а голод и болезни сломили беспримерное мужество защитников Смоленска, до конца выполнивших свой патриотический долг перед Родиной.
Высокая активность и устойчивость обороны, искусное использование артиллерии и ручного огнестрельного оружия, своевременный маневр резервами, умелое применение инженерных средств борьбы, непрерывное совершенствование обороны в ходе ведения боевых действий, высокий морально-боевой дух, мужество и патриотизм защитников Смоленска — все это неопровержимо свидетельствует о высоком уровне русского военного искусства в рассматриваемый период истории.

Суровой была благодарность Михаила Романова к воеводе Шеину. После неудачного похода на поляков воевода был обезглавлен. Бояре, предавшие Россию, продолжали жить и здравствовать. Множество безвестных героев Руси испили такую чашу подвига, наградой им Слава Небесная и Свет принявший их души.