К войне с Россией Баторий готовился самым тщательным образом. В Венгрии и Германии власти вербовали отряды наемников. По всей стране заготовляли военное снаряжение. Проведенные им военные преобразования возродили военное могущество Польши.

Баторию удалось собрать под своими знаменами 41 814 солдат. В военной кампании против России участвовал шведский флот и 10 667 шведских солдат. По данным Разрядного приказа, Россия смогла выставить в поле 10 532 кавалериста, 3119 стрельцов и казаков, а всего вместе с татарами и городским ополчением 23 641 солдата. При дворянской кавалерии находилось также 10 000-20 000 боевых холопов.

В Москве знали о военных приготовлениях Речи Посполитой, но, по-видимому, не вполне оценивали опасность ситуации. Вернувшиеся из Польши послы уверяли царя, будто с Баторием идут немногие «охочие люди» из литовской шляхты, а поляки будто бы отказались участвовать в походе. Гонец Тимофеев несколько позже сообщил, что король намерен нанести удар по Полоцку. Но его словам царь не придал серьезного значения. Гарнизон Полоцка не был своевременно усилен.

Стремясь упредить нашествие, русское командование приняло решение о наступлении в немецкую Ливонию. Намеченный план был частично осуществлен. Прибыв в Новгород в начале июня 1579 г., царь отпустил «за реку за Двину», в Курляндию, воеводу князя Василия Хилкова с войском. По-видимому, сам царь намеревался двинуться следом за воеводой, чтобы очистить от поляков всю Курляндию.

Хилков «погромил» курляндских немцев, но его успех имел ограниченное значение. К моменту неприятельского вторжения силы русской армии оказались разъединенными.

Король Стефан направил царю грамоту с объявлением войны. Особый пункт послания гласил, что король имеет претензии к особе царя, но не к его подданным, которым как христианам он желает всякой свободы. В пограничные крепости были направлены письма с обращением к жителям — от бояр до простого народа. Всем сдавшимся в плен Баторий обещал «вольность и свободу прав христианских».

Будучи в Пскове, царь составил письмо Баторию. Он называл латинскую веру «полухристианством», пенял королю, что его паны «веруют иконоборные ереси люторские» и в его владениях появилась арианская ересь. Бог покарает еретиков, а «искру благочестия истиннаго христианства в Российском царстве сохранит и державу нашу утвердит от всяких львов, пыхающих на ны». Однако уберечься от «пыхающих львов» не удалось, и Иван IV так и не отправил послание королю.

Король Стефан сознавал, что ему противостоит опасный противник, и в первой кампании поставил ограниченную задачу. Он решил отвоевать у России Полоцкую землю, захваченную Грозным пятнадцатью годами ранее. Цель войны была понятна дворянству и народу и нашла поддержку общества. Если бы Баторий двинулся в Ливонию, ему пришлось бы штурмовать многочисленные каменные замки. Полоцк располагал деревянными укреплениями. Узнав о наступлении Батория на Полоцк, Грозный направил туда воеводу Бориса Шеина. Но помощь запоздала. Шеину пришлось остановиться в близлежащей крепости Сокол.

В начале августа поляки осадили Полоцк и стали обстреливать его калеными ядрами.

Из-за дождей обстрел не дал результатов. Осада Полоцка продолжалась почти четыре недели. Наконец венгерской пехоте удалось поджечь крепостные стены смоляными факелами. Гарнизон продолжал оборонять охваченный пожаром город. Но затем стрельцы вступили в переговоры о сдаче крепости. 31 августа 1579 г. Полоцк пал.

Исследователи Ливонской войны полагали, что более других в поражении был повинен сам монарх: он потерял голову и, располагая трехсоттысячной армией, не смог оказать сопротивления неприятелю. В действительности царское войско было малочисленным. Действия Ивана IV были продиктованы обстановкой. Он послал на выручку Полоцку сначала Шеина, затем лучшего из своих воевод, князя Дмитрия Хворостинина, с передовым полком и Ивана Шуйского с полком правой руки. Они должны были нанести удар по осадному лагерю Батория. Русское командование рассчитывало на то, что полоцкий гарнизон окажет длительное сопротивление врагу.

Царь мог выступить к Полоцку со всей армией, но не сделал этого, так как в его тылу началась концентрация шведских войск. В июле 1579 г. шведский флот обстрелял и сжег предместья Нарвы и Ивангорода. Вслед за тем многочисленный шведский корпус высадился в Ревеле и направился к Нарве. Русские оказались меж двух огней. Неприятельские армии обладали численным превосходством и наступали с разных сторон.

Иван IV с тревогой следил за развитием событий в районе Нарвы. Первая российская гавань на Балтике представляла в его глазах несравненно большую ценность, чем Полоцк.

На помощь Нарве был выслан воевода Тимофей Трубецкой. Вслед за ним туда же двинулся князь Дмитрий Хилков с отрядом. 14 сентября шведский главнокомандующий Горн с многочисленным войском подступил к Нарве и в течение двух недель пытался овладеть крепостью. Из-за трудностей с подвозом продовольствия шведы терпели голод. Нарвский гарнизон отбил все приступы. Понеся большие потери, Горн отступил от стен крепости.

Поражение шведской армии произвело тяжелое впечатление в Шведском королевстве. Государственный совет рекомендовал Юхану III заключить мир с Россией.

Грозный мог использовать шанс и дать новый поворот всему ходу войны. Однако он отдал приказ снарядить полки для похода против шведов. Приказ был выполнен, но поход не состоялся. Войска понесли потери и нуждались в отдыхе.

Царь давно привык объяснять любое поражение изменой своих неверных подданных. В книгах Разрядного приказа было сказано, что король Стефан «Полотеск взял изменою, потому что воеводы были в Полоцке глупы и худы; и как голов и сотников побили, и воеводы королю и город здали».

Подозрения насчет предательства не имели почвы. После взятия Полоцка Баторий предложил сдавшимся дворянам и стрельцам на выбор отправиться с ним в Речь Посполитую или вернуться в Россию. Согласно польским источникам, большая часть пленных предпочла остаться на родине.

Царь мог заключить мир со Швецией. Но он недооценивал силы Батория и считал, что тот примет мир на приемлемых для России условиях. 29 ноября Иван IV направил королю Стефану предложение полностью прекратить военные действия и прислать послов для мирных переговоров.