Когда война возобновилась, русские войска заняли почти всю территорию Белоруссии. Однако, в 1564 году в Литву сбежал один из виднейших воевод - князь Андрей Курбский, близкий к входившим в Избранную раду братьям Адашевым и опасавшийся за свою жизнь. В 1569 году в результате Люблинской унии Польша и Литва образовали единое государство Речь Посполитую (Республику) под главенством польского короля. Теперь на помощь литовской армии пришли польские войска. В 1570 году боевые действия как в Литве, так и в Ливонии активизировались. Для закрепления за собой прибалтийских земель Иван Грозный решил создать собственный флот. В начале 1570 года он выдал "жалованную грамоту" на организацию каперского (частного) флота действовавшего от имени русского царя, датчанину Карстену Роде. Роде удалось вооружить несколько судов, и он нанес существенный урон польской морской торговле. Чтобы иметь надежную военно-морскую базу, русские войска в том же 1570 году попытались овладеть Ревелем, начав тем самым войну со Швецией. Однако город беспрепятственно получал снабжение с моря, и Ивану пришлось через семь месяцев снять осаду. Русский каперский флот так и не стал грозной силой. После семилетнего затишья, в 1577 году, 32-тысячная армия царя Ивана предприняла новый поход к Ревелю. Однако и на этот раз осада города не принесла успеха. Тогда русские войска пошли к Риге, захватив Динабург, Вольмар и еще несколько замков. Однако эти успехи не имели решающего значения. Между тем осложнилась ситуация на польском фронте.
В 1575 году королем Речи Посполитой был избран опытный военачальник, трансильванский князь Стефан Баторий. Ему удалось сформировать сильное войско, в которое вошли также немецкие и венгерские наемники. Баторий заключил союз со Швецией, и соединенная польско-шведская армия осенью 1578 года разгромила 18-тысячное русское войско, потерявшее 6 тысяч человек убитыми и пленными и 17 пушек. К началу кампании 1579 года Стефан Баторий и Иван Грозный располагали примерно равными по численности главными армиями по 40 тысяч человек. Русский царь после поражения под Венденом не был уверен в своих силах и предложил начать мирные переговоры. Однако Баторий это предложение отверг и перешел в наступление на Полоцк. Осенью польское войско осадило город и после месячной осады овладело им. Рати воевод Шеина и Шереметева, посланные на выручку Полоцку, дошли только до крепости Сокол. Они не решились вступить в бой с превосходящими силами противника. Вскоре поляки овладели и Соколом, разбив войска Шереметева и Шеина. У Ивана Грозного явно не хватало сил, чтобы успешно воевать сразу на два фронта - в Ливонии и в Литве. После взятия Полоцка поляки взяли несколько городов в Смоленской и Северской земле, а затем вернулись в Литву. В 1580 году Баторий предпринял большой поход на Русь, захватив и разорив города Остров, Велиж и Великие Луки. Тогда же шведская армия под командованием Понтуса Делагарди захватила город Корелу и восточную часть Карельского перешейка.
В 1581 году шведские войска овладели Нарвой, а в следующем году заняли Ивангород, Ям и Копорье. Русские войска были изгнаны из Ливонии. Боевые действия были перенесены на территорию Руси. В сентябре 1581 года 50-тысячное польское войско во главе с королем осадило Псков. Это была очень сильная крепость. Город, стоявший на правом, высоком берегу реки Великая при впадении в нее реки Пскова, был обнесен каменной стеной. Она протянулась на 10 км и имела 37 башен и 48 ворот. Правда, со стороны реки Великая, откуда трудно было ждать нападения неприятеля, стена была деревянная. Под башнями имелись подземные ходы, обеспечивавшие скрытную связь между различными участками обороны. Верхние ярусы башен также были соединены переходами. Высота стен составляла 6,5 м, а толщина - от 4 до 6 м, что делало их неуязвимыми для тогдашней артиллерии. Внутри Больших стен имелся Средний город, также окруженный стенами, в Среднем городе - укрепленный Довмонтов город, а в Довмонтовом городе - каменный Кремль. Над уровнем реки Великая стены Довмонтова города возвышались на 10 м, а Кремль - на 17м, что делало эти укрепления практически неприступными. В городе имелись значительные запасы продовольствия, оружия и боеприпасов. Русское войско было рассредоточено по многим пунктам, откуда ожидалось вторжение неприятеля. Сам царь со значительным по численности отрядом остановился в Старице, не рискнув идти навстречу шедшей к Пскову польской армии. Когда царь узнал о вторжении Стефана Батория, к Пскову было направлено войско князя Ивана Шуйского, назначенного "большим воеводой". Ему подчинялись семь других воевод. Псковичи поклялись "за Псков град битися с Литвою до смерти безо всякие хитрости". Клятву они сдержали, отбив 31 приступ.
Общая численность русских войск, оборонявших Псков, достигала 25 тысяч человек и была примерно вдвое меньше численности армии Батория. По приказу Шуйского, окрестности Пскова были опустошены, чтобы неприятель не мог найти там фураж и продовольствие. 18 августа польское войско подошло к городу на расстояние 2-3 пушечных выстрелов. В течение недели Баторий вел разведку русских укреплений и только 26 августа приказал своей армии подступить к городу. Однако солдаты вскоре попали под огонь русских пушек и отступили к реке Череха. Здесь Баторий устроил укрепленный лагерь. Поляки стали рыть траншеи и ставить туры, чтобы приблизиться к стенам крепости. В ночь с 4 на 5 сентября они подкатили туры к Покровской и Свиной башням на южном фасе стен и, поставив 20 орудий, с утра 6 сентября начали обстреливать обе башни и 150м стены между ними. К вечеру 7 сентября башни были сильно повреждены, а в стене образовался пролом шириной 50 м. Но осажденные успели соорудить против пролома новую деревянную стену. 8 сентября польские войска пошли на штурм. Атакующим удалось захватить обе поврежденные башни. Однако выстрелами из большой пушки "Барс", способной посылать ядра на расстояние более 1 км, занятая поляками Свиная башня была разрушена. Затем ее развалины русские взорвали, подкатив бочки с порохом. Взрыв послужил сигналом к контратаке, которую возглавил сам Шуйский. Неприятель не смог удержать и Покровскую башню - и отступил. После неудачи штурма Баторий приказал вести подкопы, чтобы взорвать стены. Два подкопа русским удалось уничтожить с помощью минных галерей, остальные поляки так и не смогли довести до конца. 24 октября польские батареи стали обстреливать Псков из-за реки Великой раскаленными ядрами, чтобы вызвать пожары, но защитники города быстро справились с огнем. Через четыре дня польский отряд с ломами и кирками подошел к стене со стороны Великой между угловой башней и Покровскими воротами и разрушил подошву стены. Она обрушилась, однако оказалось, что за этой стеной есть еще одна стена и ров, которую поляки преодолеть не смогли. Осажденные бросали им на головы камни и горшки с порохом, лили кипяток и смолу. 2 ноября армия Батория предприняла последний штурм Пскова. На этот раз поляки атаковали западную стену. До этого в течение пяти дней она подвергалась мощному обстрелу и в нескольких местах оказалась разрушена. Однако защитники Пскова встретили противника сильным огнем, и поляки повернули обратно, так и не дойдя до проломов. К тому времени моральный дух осаждающих заметно упал. Но и осажденные испытывали немалые трудности. Основные силы русской армии в Старице, Новгороде и Ржеве бездействовали. В Псков попытались прорваться только два отряда стрельцов по 600 человек, но из них больше половины погибло или попало в плен. 6 ноября Баторий убрал орудия с батареи, прекратил осадные работы и стал готовиться к зимовке. Одновременно он послал отряды немцев и венгров захватить Псково-Печерский монастырь в 60 км от Пскова, однако гарнизон из 300 стрельцов при поддержке монахов успешно отбил два приступа, и неприятель вынужден был отступить. Стефан Баторий, убедившись, что Псков ему не взять, в ноябре передал командование гетману Замойскому, а сам отбыл в Вильну, забрав с собой почти всех наемников. В результате численность польского войска уменьшилась почти вдвое - до 26 тысяч человек. Осаждающие страдали от холодов и болезней, росло число умерших и дезертирство. После пяти месяцев безуспешных попыток поляки вынуждены были снять осаду Пскова, а Баторий согласился на десятилетнее перемирие. Оно было заключено в Яме- Запольском 15 января 1582 года. Русь отказывалась от всех своих завоеваний в Ливонии, а поляки освобождали занятые ими русские города.
В Ливонии оставалось немало православных святынь, и судьба их беспокоила русское правительство. Опасаясь, чтобы под властью католиков православные святыни не подверглись поруганию, еще во время переговоров о мире русские добивались передачи России всех священных икон и предметов, а также свободного выезда из Ливонии православных священнослужителей. Некоторые из Баториевых послов возражали против этого, но папскому легату Антонию Поссевину удалось убедить своих единоверцев в том, что требования русских вполне обоснованы .
В мае 1583 г. заключается 3-летнее Плюсское перемирие со Швецией, по которому уступались Копорье, Ям, Ивангород и прилегающая к ним территория южного побережья Финского залива. Русское государство вновь оказалось отрезанным от моря. За Русью оставался лишь небольшой участок балтийского побережья в устье Невы. Однако в 1590 году после истечения срока перемирия боевые действия между русскими и шведами возобновились и проходили на этот раз успешно для Москвы. В результате по Тявзинскому договору о "вечном мире" Русь вернула себе Ям, Копорье, Ивангород и Корельский уезд.
Закончилась 25-летняя война, во время которой крестьянство изнемогало под бременем наборов и налогов. Неудача в войне была следствием отсталой экономики России, не выдержавшей этой войны, набегов крымских татар, опричной политики внутри страны, которая сильно подрывала военную мощь России.