В 1680 году на смену приказчикам в Нерчинск был назначен воеводой стольник Федор Воейков (1680–1683 гг.) — тем самым Русское правительство подчеркивало большую значимость предстоящих событий на Амуре и в Забайкалье. В связи с угрозой нападения со стороны Китая надо было готовиться к войне с ним. В этих условиях особо важно стало иметь необходимые запасы продовольствия, свинца, пороха. Свою работу Воейков начал с обеспечения Нерчинского воеводства своим продовольствием. В 1681 году были сделаны первые посевы хлеба, удалось собрать с пуда семенного зерна: 13 пудов пшеницы; 7 пудов овса; 12 пудов ячменя; 17 пудов гречихи. Началось расселение на пашни крестьян из Европейской России. В этом же году Нерчинский острог был усилен земляными оборонительными сооружениями.

Попытки Петра Бекетова и Федора Воейкова обеспечить себя продовольствием за счет забайкальской пашни имели огромное хозяйственное значение, так как доказывали, что хлеб можно выращивать и в условиях короткого забайкальского лета. Это было тем более важно, что доставка продовольствия из России, и прежде всего хлеба, была долгим и трудным делом; стоил он очень дорого.

В 1681 году на реке Аргуни был сооружен Аргунский острог. Благодаря Воейкову улучшилось снабжение казаков, развивалось земледелие, энергично собирались сведения о подготовке Китая к войне, продолжались попытки проникнуть на Амур.

К 1682 году русские владели Амуром до устья Зеи и по Зее. Ниже устья Зеи Амур находился под влиянием Китая, но сами китайцы на Амуре не селились.

В 1682 году китайцы появились на реке Амур, на левом берегу которого, ниже устья Зеи, они построили город Айгун. Положение усугубилось и расколом в Нерчинском воеводстве из-за нежелания албазинских казаков подчиняться Нерчинскому воеводе. Построением города Айгун, имевшего громадное стратегическое значение, китайцы пытались остановить продвижение русских по Амуру в его нижнем течении. Город в инженерном отношении укреплен был хорошо: воздвигнута стена из дерна в сажень, снаружи и внутри имелся палисад, толщина стен между палисадом была в две сажени; протяженность стен по кругу равнялась 600 метрам; снаружи выкопали ров глубиной в один сажень, имелись другие заграждения. В двух воротах стояли по две пушки на станках и колесах. Гарнизон состоял из 2000 человек с 30 пушками. На берегу реки на катках стояли суда.

Вскоре столкновения с китайцами приняли открытый характер. В июне 1684 года Нерчинский острог принял воевода Иван Власов, а Албазинский — боярский сын Алексей Толбузин.

В 1686 году около старого Селенгинского острога был построен деревянный рубленый город. Предпринимались шаги к пополнению гарнизонов острогов людским ресурсом, доставки в остроги пороха и свинца.

10 июня 1685 года 10 тысяч китайцев осадили Албазин, имея 200 полевых и 50 осадных пушек. Конница состояла из 1000 всадников. Пехота была вооружена луками, саблями, и около 100 человек имели ружья.

В первые дни осады Албазина русские потеряли более 100 человек. Казаки сражались умело и мужественно — пока не истощились запасы пороха и свинца. 26 июля начались переговоры о сдаче острога и о переходе оставшихся в живых защитников его с семьями в Нерчинск. Условия сдачи китайцами были приняты. 25 казаков перешли на службу к Богдыхану (богдо-гегены — религиозно-политический сан владыки монголов под властью Китая. — Примеч. ред.)_у более 300 отправились в Нерчинск. Посланный на помощь Албазину пятидесятник Анцифер Кондратьев со 100 казаками был вынужден вернуться в Нерчинск.

Амур во второй раз был потерян. Албазинский священник Максим Леонтьев, взятый в плен китайцами, основал в Пекине первую русскую православную церковь. Потомки албазинцев, ушедших в Китай к Богдыхану и обосновавшихся в Пекине, сохранили многие традиции своих предков. Несмотря на то, что они одевались по-китайски, брили голову наполовину и носили косу, то есть внешне уже больше походили на китайцев, чем на русских, продолжали исповедовать православную веру. Уходя из Албазина, казаки взяли из церкви свою святыню — икону святого Николая Чудотворца, которую берегли более двухсот лет. Забайкальские казаки, побывавшие в Пекине после подавления «боксерского восстания» в 1900–1901 годах, видели эту икону и тех, кто ее бережно хранил столетия, группируясь вокруг нее, как воины у боевого знамени.

По прибытии в Нерчинск подкрепления — полка Бейтона (иностранный наемник, оставшийся на постоянное жительство в Сибири. — Примеч. ред.) из сибирских казаков — была предпринята попытка вернуть Албазинский острог.

Прибыв в Албазин и восстановив его укрепления, казаки стали строить город. Китайцы всячески препятствовали этому, и в июле 1686 года началась 19-месячная оборона Албазина.

Встретив упорное и самоотверженное сопротивление русского гарнизона, а также в силу ряда других причин, внутренних и внешних, китайцы вынуждены были отказаться от широких военных планов и предложили Русскому правительству провести переговоры с целью заключить мир и установить границы. В свою очередь Русское правительство не располагало достаточными военными силами, чтобы защитить Приамурье и, стремясь установить постоянные дипломатические и торговые  отношения с Китаем, согласилось вступить в мирные переговоры. 6 мая 1687 года осада была снята, китайцы отошли от города. 30 августа 1687 года было заключено перемирие. Переговоры о мире решили  вести в Нерчинске, к тому времени имевшем деревянную ограду и гарнизон в 1,5 тысячи человек без достаточного количества боеприпасов. Русское посольство возглавил окольничий Федор Головин.

Переговоры о мире и установлении границ между Россией и Китаем начались 12 августа 1689 года. Головин предложил границу с Китаем иметь по Амуру; китайцы, в свою очередь, потребовали оставить за собой Албазин, Нерчинск, Верхнеудинск и Селенгинск, то есть все пространство до Байкала. Несколько раз переговоры прерывались, никто не хотел уступать. Китайский посол грозился покинуть место переговоров, если не будут приняты его требования, угрожая применить силу против несговорчивого русского посла, и это были не просто слова. Нерчинск был блокирован маньчжурской армией (Китаем в это время правила маньчжурская династия императоров. — Примеч. ред.) и флотилией общей численностью 17 тысяч человек, оснащенных артиллерией. Переговоры проходили в исключительно тяжелой обстановке для русской стороны. Существовала реальная угроза военного нападения, истребления Русского посольства и гарнизона. В этих условиях Федор Головин вынужден был пойти на значительные территориальные уступки. В конечном итоге 27 августа 1689 года трудные переговоры были завершены и договор подписан. По этому договору граница между Россией и Китаем стала проходить по реке Горбица и далее, с верховьев ее, Яблоновым хребтом до самого моря. Все реки, стекающие с него на север, отошли России, а стекающие на юг — Китаю. Спорные места у Амурского устья до реки Уды, которая отошла к России, оставили неразграниченными до другого, более удобного времени. Также река Аргунь стала представлять собой границу: левые ее притоки отошли к России, правые — к Китаю. Город Албазин, согласно договору, должен быть разрушен. Китайцы устно поклялись не селиться в тех местах. Интересы России и Китая при заключении Нерчинского договора были встречными, до этих событий, как уже отмечалось, китайцы по Амуру не селились.

Государственная граница по этому договору была крайне неопределенной (кроме участка по реке Аргуни), намечена лишь в общих чертах. Название рек и гор, служивших географическими ориентирами, не были идентичными в русском, латинском и маньчжурском экземплярах договора, что позволяло их по-разному толковать. В момент подписания договора точных карт у сторон не имелось, делимитация границы была неудовлетворительной, а демаркация ее не проводилась вообще. При подписании договора обмен картами с нанесенной на них линией прохождения границы между двумя странами произведен не был. Нерчинский договор предусматривал в любых случаях мирное решение пограничных споров и устанавливал принцип равноправной торговли для обеих сторон.