Разгром случился во многом потому, что поляки узнали о раздорах в неприятельском лагере и коронный гетман Станислав Потоцкий предложил Юрию Хмельницкому вернуться под власть короля.
Тот согласился, и 27 октября в Чудове между гетманом Украины и Польшей был заключен новый мирный договор, фактически повторявший Гадячский, но без упоминания Великого княжества Русского, что ограничивало автономию Украины в составе Речи Посполитой. Шереметев капитулировал на условиях вывода московских войск из Киева, Переяслава-Хмельницкого и Чернигова. Однако воевода Юрий Барятинский, возглавлявший оборону Киева, отказался выполнять условия капитуляции и оставлять город, сказав знаменитую фразу: «Я повинуюсь указам царского величества, а не Шереметева: много в Москве Шереметевых!» В Переяславе народ во главе с наказным гетманом Якимом Сомко — дядей Юрия Хмельницкого тоже поклялся «умирать за великого государя-царя, за церкви Божии и за веру православную, а городов малороссийских врагам не сдавать, против неприятелей стоять и ответ держать».
Польские войска штурмовать Киев не решились. К тому же в них тоже начались волнения, связанные с невыплатой жалованья и нехваткой продовольствия, добыть которое в донельзя разоренной Украине было очень непросто. Шереметев оказался в плену татар и пробыл там 22 года. Левобережная Украина вновь подверглась набегам союзных полякам татар, с которыми казаки вынуждены были постоянно бороться. Московские отряды остались на левом берегу Днепра, но после чудновской катастрофы и вплоть до самого конца войны они ограничивались лишь обороной.
В этот период основные военные действия развернулись на северном театре, т. е. в Великом княжестве Литовском, где московские армии тоже теряли одну позицию за другой. Сюда не доходили татары, да и казаки появлялись не часто, однако под влиянием притеснений со стороны московских воевод шляхта ВКЛ окончательно приняла сторону Яна Казимира. Летом 1661 года был осажден московский гарнизон в Вильне. Осенью 1661 года польско-литовские силы разбили московскую армию в сражении при Клушниках. Зимой 1662 года был потерян Могилёв, а летом — Борисов и Полоцк. В ноябре, после полуторагодовой осады, была окончательно освобождена Вильня (за это время московский гарнизон отбил пять приступов и сдался, когда в живых осталось всего 78 защитников крепости). За Москвой временно оставалась только территория в районе Витебска, но вскоре пришлось оставить и ее. Большое влияние на неудачи московского войска оказали внутриполитические волнения в стране — экономический кризис, Медный бунт, Башкирское восстание.
В 1663 году Юрий Хмельницкий отрекся от гетманства, после чего Левобережье и Правобережье Днепра стали выбирать отдельных гетманов. Осенью того же года началась последняя крупная операция русско-польской войны за Беларусь и Украину — поход Яна-Казимира в союзе с крымскими татарами и правобережными казаками в Левобережную Малороссию. Главный удар наносила коронная польская армия, которая вместе с казаками правобережного гетмана Павла Тетери и крымскими татарами, захватив восточные земли Украины, должна была наступать на Москву. Вспомогательный удар наносила армия ВКЛ го главе с Михаилом Пацем. Он должен был взять Смоленск и соединиться с королем в районе Брянска. В ходе тяжелых боев, продвигаясь на север вдоль реки Десны, польские отряды захватили Вороньков, Борисполь, Гоголев, Остер, Кременчуг, Лохвицу, Лубны, Ромны, Прилуки и ряд других небольших городов. При этом королевская армия обходила крупные крепости с многочисленными московскими гарнизонами (Киев, Переяслав, Чернигов, Нежин). Гадяч тоже устоял, но в осаде продолжал оставаться Глухов.
Для отражения наступления войск Яна Казимира в условиях зимы Москве пришлось срочно мобилизовать войска, до того распущенные по домам. Полк Белгородского разряда во главе с князем Григорием Ромодановским направился к Батурину и, соединившись с казаками гетмана Ивана Брюховецкого, выдвинулся к Глухову. Войско Севского разряда под началом Петра Васильевича Шереметева выступило туда же из Путивля. Армия Большого (Царского) разряда под командованием князя Якова Черкасского, собранная в Калуге, должна была отразить наступление войск Великого княжества Литовского и затем действовать против королевской армии.
1 февраля 1664 года король снял осаду Глухова и, утратив надежды на успех, выступил к Севску, где соединился с литовской армией. Через несколько дней поступили сведения, что царские войска надвигаются на польско-литовскую армию со всех сторон, солдаты которой были уже сильно утомлены и среди них начались болезни. Находясь в лагере под Севском, король направил к Карачеву отряд польско-литовской конницы князя Александра Полубинского, но его разбили части воеводы князя Ивана Прозоровского. Одновременно из Болхова к Карачеву и Брянску выступили главные силы под командованием князя Черкасского. В составе армии князя Черкасского находились самые боеспособные «генеральские» полки солдатского строя Томаса Далейля, Вильяма Друммонда и Николая Баумана. Синхронно с этими действиями новгородский полк князя Ивана Хованского, вторгся в Великое княжество Литовское с целью отвлечь внимание армии Михаила Паца.
Узнав о приближении войск князей Черкасского и Ромодановского, король отступил к Новгороду-Северскому и остановился на берегу Десны. Против армии Ромодановского была направлена польская дивизия Стефана Чарнецкого, но, потерпев поражение в сражении под Воронежем 18 февраля, она вновь отошла в королевский лагерь. На военном совете польско-литовское командование приняло решение об отступлении.
Отступая под натиском армии князя Ромодановского, при переправе через Десну Ян Казимир потерпел тяжелое поражение от московских войск у Пироговки. 27 февраля у Сосницы коронные войска во главе с Чарнецким отделились от армии короля и ушли на Правобережье Украины. Войско ВКЛ, с которым остался сам король, двинулись к Могилеву. Передовые отряды князей Юрия Барятинского и Ивана Прозоровского в марте 1664 года нагнали отходящую литовскую армию под Мглином. В состоявшемся арьергардном бою пехотный полк прусского аристократа Христиана Людвига фон Калькштейна был полностью уничтожен, а сам полковник попал в плен. Армия короля бросила всю свою артиллерию, а ее отступление стало походить на паническое бегство. «Отступление это длилось две недели, и мы думали, что погибнем все. Сам король спасся с большим трудом. Наступил такой большой голод, что в течение двух дней я видел, как не было хлеба на столе у короля. Было потеряно 40 тысяч коней, вся кавалерия и весь обоз и без преувеличения три четверти армии. В истории истекших веков нет ничего, что можно было бы сравнить с состоянием такого разгрома», — вспоминал служивший у короля герцог Грамон. В начале 1664 года московско-казацкие войска перешли в контрнаступление и вошли на территорию Правобережной Малороссии, которая вскоре была очищена от войск противника. Тем самым был фактически закреплен раздел Украины между Московским царством и Речью Посполитой.
Последний этап войны Алексея Михайловича за Беларусь и Украину характеризовался истощением сторон, их материальных и людских ресурсов. Как на северном, так и на южном театре военных действий происходили лишь небольшие стычки и бои местного значения. Какой-либо существенной роли они не играли, может быть за исключением локального поражения польских отрядов от московско-казацких войск под Корсунью и Белой Церковью. Фактическое прекращение активных боевых действий заставило стороны пойти на переговоры о мире, которые начались в 1666 году и завершились 20 января 1667 года подписанием перемирия в деревне Андрусово, близ Смоленска, сроком на 13,5 года. По этому перемирию к Московскому государству отходил Смоленск, а также Дорогобуж, Белая, Невель, Красный, Велиж, Северская земля с Черниговом и Стародубом, то есть земли, вошедшие в состав Речи Посполитой в ходе Смуты. Кроме того, Польша признала за Москвой право на Левобережную Украину. Киев на два года тоже переходил к Москве, а Запорожская Сечь под совместное управление обоих государств.
