Готовясь к войне с Литвой, правительство послало в Крым посольство для заключения мира. Подобный шаг знаменовал окончательный отказ Москвы от «наследства» Адашева в сфере восточной политики. Настойчивые поиски мира с Крымом объяснялись неблагоприятным для России оборотом дел в Ливонии. Вслед за Литвой в Ливонскую войну вмешались крупнейшие прибалтийские государства — Дания и Швеция, принявшие участие в разделе ливонского наследства. В апреле 1560 г. герцог Магнус, брат датского короля, вступил во владение островом Эзель. Спустя месяц Ревель и Северная Эстония перешли под власть Швеции. Задавшись целью предотвратить создание широкой антирусской коалиции в Прибалтике, московское правительство заключило союзный договор с Данией, предоставило 20-летнее перемирие шведам и обратило все свои силы против Литвы.

Русское командование решило нанести удар по Полоцку, ключевой пограничной крепости, закрывавшей пути на литовскую столицу Вильну. В наступлении на Полоцк участвовали почти все вооруженные силы страны: 18 105 дворян (их сопровождали до 20 000-30 000 вооруженных холопов), 7219 стрельцов и казаков, более 6000 служилых татар. Общая численность ополчения составляла 31 546 человек, а вместе с вооруженными холопами — около 50 000-60 000 человек.

В январе 1563 г. многочисленная русская рать выступила из Великих Лук к Полоцку.

Неширокая полоцкая дорога не могла вместить всей массы войск и обозов. Армия ежечасно застревала в лесных теснинах среди болот. Под конец полки утратили всякий порядок, пехота, конница и обозы перемешались между собой, и движение вовсе застопорилось. Порядок был восстановлен с большим трудом. Царь с приближенными самолично разъезжал по дороге, «разбирал» людей в заторах. Самым деятельным его помощником был расторопный обозный воевода князь Афанасий Вяземский, впервые обративший на себя внимание царя.

В первых числах февраля русская армия вышла к Полоцку и приступила к его осаде.

Придвинув артиллерию к полоцкому острогу, воеводы бомбардировали и разрушили стены крепости. Литовцы вынуждены были укрыться в Верхнем замке. Во время внезапного ночного нападения литовцы попытались захватить русские батареи, но боярин Шереметев с передовым полком отбил вылазку. В бою ядро «погладило» боярина «по уху», и его место занял князь Кашин. На другой день воевода князь Репнин расставил батареи внутри сожженного острога и в течение двух суток бомбардировал Верхний замок. В городе во многих местах возникли пожары. На рассвете 15 февраля гарнизон Полоцка сдался на милость победителей. Овладение Полоцком было, пожалуй, моментом высшего успеха России в Ливонской войне, после которого наметился спад, ознаменовавшийся военными неудачами и бесплодными переговорами. Москва отказалась признать захват шведами замка Пайда на границе русской Ливонии. Раздраженный шведскими притязаниями, царь Иван обратился к королю Эрику XIV с грубым выговором, «а писал к королю… многие бранные и подсмеятельные слова на укоризну его безумию». Бранчливое письмо царя могло серьезно осложнить русско-шведские отношения, но шведский король находился в столь трудном положении, что безропотно проглотил все оскорбления.

Несколько позже царь Иван, будучи недоволен действиями датчан, написал грубое письмо датскому королю, которое датский посол не решился передать по назначению.

Письма Грозного к шведскому и датскому королям были своего рода вехой в истории московской дипломатии. Они показали, что в период после падения Полоцка влияние 33-летнего царя Ивана на государственные дела резко возросло. Определяя внешнюю политику России, Иван руководствовался больше собственными нетерпением и высокомерием, нежели трезвым расчетом.

Заключив перемирие с литовцами под Полоцком, Грозный вызвал в Москву королевских послов и решительно потребовал от них очищения Ливонии до Двины. Послы отклонили эти требования и выехали на родину. Следом за ними в Литву двинулись царские рати.

В соответствии с военными планами Москвы армия, шедшая из Полоцка, должна была соединиться с армией из Смоленска на неприятельской территории для наступления на Минск. По-видимому, литовцы знали о замыслах русских. Они сосредоточили все свои силы против полоцкой армии и в битве под Улой разгромили ее, не допустив объединения двух русских армий. Смоленская армия вынуждена была спешно покинуть пределы Литвы. Неудача под Улой ухудшила военное положение России. Крымский хан отказался от союза с Москвой.