Между тем маньчжуры спровоцировали выступление монгольских (мунгальских) ханов против России и под предлогом обеспечения безопасности своих послов перенесли переговоры на 1689 г. В январе 1688 г. Очирой-Сайн-хан, снаряженный китайцами «пушками и мелким огненным ружьем», потребовал передать в свое подданство прибайкальских ясачных людей, осадил Селенгинск и Удинск. В сентябре двухтысячный отряд Ф. А. Головина отогнал монголов от Удинска и на реке Хилоке разбил войско тайшей, обезопасив русский тыл со стороны Забайкалья. 200 монголов было убито и 1 200 юрт приведено в подданство.
Укрепив Удинск, весной 1689 г. Ф. А. Головин переехал в Нерчинск. Туда из Посольского приказа были доставлены новые инструкции, свидетельствовавшие, что правительство начинало, наконец, реально оценивать всю сложность создавшегося в приграничье с Китаем положения. Последняя ступень уступок, на которые было разрешено соглашаться Ф. А. Головину, это – разрушение Албазина, но с сохранением русских промыслов в Даурии. По настоянию китайской стороны местом для переговоров был избран Нерчинск. 20 июля 1689 г. цинские послы прибыли к городу на 76 больших, вооруженных пушками, судах. Одновременно с флотом подошла и сухопутная армия. Общая численность китайских войск достигала 15 тысяч человек, в то время как в подчинении Ф. А. Головина в Даурии было всего 2,5—3 тысячи человек.
Цинская династия была заинтересована в мирном договоре для обеспечения своего тыла в ожидавшейся войне с Монголией. Неудачи в действиях против мелких русских гарнизонов грозили придать конфликту затяжной характер, что ухудшило бы и без того незавидное финансовое положение правительства. Важность предстоящих переговоров обусловила как согласие Канси на проведение их вне территории империи, так и высокий состав делегации. Первым послом был назначен начальник гвардии князь Сонготу, вторым – дядя императора князь Тунгуеган (Киу-Кису), третьим – вельможа Лантань (Ламт), руководивший боевыми действиями против Албазина в 1685—1687 гг.
Не нашло поддержки русское предложение о включении в текст договора статей о свободной торговле. На проходившем 13 августа втором съезде послов маньчжуры под угрозой начала военных действий потребовали территории Приамурья и значительной части Забайкалья. В ответ на угрозы Ф. А. Головин высказал готовность России защищать свои земли. По воспоминаниям Ж. Жербильона, первый посол, несмотря на крайнее напряжение, готовое в любой момент перерасти в боевые действия, «умел соблюдать свой ранг без подчеркивания, очень естественно и просто». Переговоры прервались на две недели. В это время цинские войска, имевшие более чем десятикратное превосходство, осадили неподготовленный к длительной осаде Нерчинск. 18 августа во главе стрелецких полков и казачьей конницы с развернутыми знаменами Ф. А. Головин вышел из города с намерением дать бой. Однако цинские воеводы не решились напасть и возобновили переговоры через посыльных. В то же время их войска придвинулись ближе к стенам. Со стороны реки Нерчи город блокировал цинский флот. В этих условиях Ф. А. Головин принужден был пойти на крайние территориальные уступки Китаю. Чуть позже Ф. А. Головин, отдав приказ разорить Албазин, на подводах отбыл в Иркутск. В то же время Ф. А. Головин отстоял права России на земли Забайкалья и побережье Охотского моря. Точная граница с Китаем была установлена лишь по среднему течению Амура, что предоставляло России определенные лазейки для последующего освоения Приморского края. Московское царство первое из европейских стран договорилось о свободной торговле с Китаем. Соответствующая статья была внесена в текст договора под настойчивым требованием русских дипломатов. В целом же долговременный мир с Китаем был важным политическим событием для России. Отдельные статьи Нерчинского трактата оставались в силе вплоть до ратификации Айгунского договора 1858 г. Под наблюдением Ф. А. Головина был укреплен Нерчинск и осуществлено строительство деревянной крепости в Удинске.
Ф. А. Головин после пятилетнего отсутствия прибыл в Москву 10 января 1691 г. К этому времени царевна Софья уже находилась в заточении в Новодевичьем монастыре, а В. В. Голицын был в опале. Петр, попеняв на уступку Албазина, в целом высоко оценил результаты работы Ф. А. Головина и с интересом слушал его рассказы о Сибири и народах, ее населявших. «За службу и радение» Ф. А. Головин был возведен в боярское достоинство и получил титул наместника Сибирского.
Ф. А. Головину принадлежит заметная роль в заготовке провианта и амуниции для армии, обеспечении благоприятного мнения европейских дворов о целях России во второй азовской кампании. 3 мая 1696 г. эскадра из восьми галер под командованием «морского каравана генерал-комиссара» Ф. А. Головина покинула Воронеж и взяла курс на Азов. После разведки оказалось, что на рейде города стояли 13 турецких галер и 24 мелких судна. Операция была отложена. 20 мая вечером казаки атамана Ф. Миняева напали на лодках на турецкий флот. Неприятельская эскадра была частично сожжена, частично рассеяна. Казаки захватили богатые трофеи. 19 июля гарнизон Азова капитулировал. Празднества по этому поводу продолжались два дня. 21 августа царь Петр отбыл из Черкасска сухим путем в Москву. Как добирался до столицы Ф. А. Головин, неизвестно. Участия в осадных работах Ф. А. Головин не принимал. 26 декабря 1696 г. за участие в кампании против турок Ф. А. Головин был награжден золотой медалью в пять с половиной червонцев, кубком, парчовым халатом на соболях; в его владение перешло также пятьдесят семь дворов в селе Молодовское городище Кромского уезда. Вскоре по возвращении из-под Азова Ф. А. Головин был вновь востребован на дипломатическом поприще.
После пострижения царевны Софьи и ссылки в 1689 г. В. В. Голицына правительство и Посольский приказ формально возглавил дядя царя Л. К. Нарышкин. 6 декабря 1696 г. он объявил в Посольском приказе указ царя о снаряжении миссии к европейским дворам «для поддержания древней дружбы и любви, для общих к всему христианству дел, к ослаблению врагов Креста Господня, салтана турского, хана крымского и всех бусурманских орд». Речь шла, во-первых, о консолидации усилий европейских держав в борьбе с турецкой агрессией и, во-вторых, об оказании финансовой и военно-технической помощи России со стороны христианских государств. Свита Ф. А. Головина была определена в десять человек. В нее он включил сына Ивана и брата Алексея Григорьевича. Судя по документам, все дела по подготовке и организации посольства были сосредоточены в руках Ф. А. Головина, имевшего значительно более солидную дипломатическую практику, чем официальный глава посольства Ф. Лефорт. Под наблюдением Ф. А. Головина при посольстве был укомплектован отряд волонтеров из тридцати человек, которые за счет казны должны были совершенствоваться в навигацкой науке. Среди них: сам царь под именем десятника П. Михайлова, А. Д. Меншиков, А. Б. Голицын, Иван Михайлович и Иван Александрович Головины. В это время австрийское правительство через посредство Англии вело сепаратные переговоры с Турцией о заключении мира и устраиваемыми пышными приемами и балами пыталось усыпить бдительность русской дипломатии. Австрия выгораживала Россию от участия в мирных переговорах. Приватные встречи с императором, императрицей, канцлером Кинским не позволили царю и Ф. А. Головину выведать истинные намерения Австрии в отношении Турции. В целом же, с точки зрения решения поставленных задач Великое посольство окончилось неудачей. Наивная надежда на христианскую солидарность Европы в борьбе с мусульманами обернулась многими разочарованиями. Несмотря на это, деятельность дипломатов способствовала преодолению внешнеполитической изоляции России, ее включению в глобальную европейскую политику и торговлю. Под наблюдением Ф. А. Головина было завербовано в русскую службу около восьми сотен офицеров, врачей, инженеров, закуплено несколько десятков тысяч ружей с невиданными еще в России штыками. Ф. Головин стал вторым (после А. Д. Меншикова) российским подданным, возведенным 16 ноября 1702 г. в графское достоинство Священной Римской империи германской нации.
