Тоді справа дійшла до чергового перевороту, і Лупу знову потіснив Георгій Стефан (молдавський господар у 1653–1658 рр.), якому поміг трансільванський князь Дьєрдь ІІ Ракоці. Богдан Хмельницький не утримався від нового походу, незважаючи на те, що підтримка Лупу в таких умовах і в такий спосіб консолідує союз проти нього Молдавії, Валахії й Трансільванії, які об’єктивно ставали союзниками Речі Посполитої. Гетьман, певно, вважав, що допомога родичу й збереження українсько–молдавського союзу за сприятливих умов, насамперед у разі успіху воєнного походу, змусять Валахію й Трансільванію переглянути свою зовнішню політику. На карту було поставлено дуже багато. Та не знав старий батько, виряджаючи у похід свого старшого сина, що бачить його в останній раз…

Гетьманич виступив у похід 13 серпня 1653 р. і швидко прибув зі своїм 6–9–тисячним військом до стін Сучави, де була його теща з сім’єю і де був скарб Василя Лупу. Відвернувши увагу ворожих військ, він зумів узяти ворожі позиції, з’єднався з обложеним гарнізоном і почав будувати власний табір під стінами міста. Польський хроніст Рудавський віддав належне військовим талантам гетьманича: «Тимофій однією лише славою свого імені здобув перемогу над ворогами і тріумфально вступив до фортеці. Він був щасливішим від Цезаря: прийшов і переміг, навіть не побачивши ворога». На другий день він пішов з гарматами до монастиря Драгомирна і взяв його. При цьому монастир і бояри, які там укрилися, були жорстоко пограбовані. Тим часом Георгій Стефан умовив своїх союзників негайно вдарити на козаків, доки вони ще недостатньо укріпилися.

Зав’язалися тяжкі бої. Проти українських військ та невеликих сил союзних їм молдаван (близько 2 тисяч) була кинута об’єднана польсько–молдавсько–трансільванська потуга. Відчувши ворожу перевагу, Тиміш негайно послав до Чигирина по підкріплення, зокрема лист такого змісту був адресований генеральному писареві І. Виговському і до рук останнього потрапив наприкінці серпня. Але у гетьмана не було сил, щоб одночасно стримувати потенційний польський наступ і відправити частину свого війська до Молдавії. Тому він написав синові листа, просячи його триматися до останнього, але це послання було перехоплено Г. Стефаном. Одночасно він прагнув досягти миру з Річчю Посполитою, проте безуспішно. Тиміш Хмельницький виявив себе під час оборони Сучави хоробрим вояком. За свідченням арабського мемуариста Павла Алепського, гетьманич «щодня виходив на ворогів і побивав їх тисячами, ніхто не міг протистояти його великій відвазі. Щодня виїздив з табору з невеликою купкою людей на буланім коні, котрого дуже любив; побивав, ранив і гонив ворогів; достовірні люди оповідали про нього, що він убив з власної руки 1300 німців… Скільки жалю завдав він полякам — значним і простим; сам один з власної руки вбив їх кілька тисяч».

Спочатку блокада Сучави була нещільна і козаки боронили місто й замок без особливих втрат, навіть влаштовували бенкети, як от 9 вересня. Цей бенкет дав привід говорити про розгульне, навіть розпусне життя Тимоша. Деякі з молдавських дам поскаржилися на Тимоша його тещі, але той її грубо вилаяв, погрожуючи забити її сина. Тещі навіть довелося заплатити велику суму грошей (100 тис. угорських червінців) Тимошу і його козакам. Недипломатично гетьманич повівся і зі своїми союзниками — ординцями. Запідозривши одного з мурз, який походив із значного кримського роду, він наказав стратити його. Навіть коли б ці підозри і мали під собою ґрунт, варто було діяти в інший спосіб. А так непотрібна суворість і прямолінійність Тимоша призвели до того, що невеликий татарський загін покинув своїх союзників. Більше того, кримський хан дозволив тисячі ординців прибути на підмогу Г. Стефану та трансільванському командувачу Яношу Кемені.

Коли ворожих сил стало більше і вони взяли Сучаву у міцне кільце, у місті став гостро відчуватися брак води, провіанту й фуражу. Козацькі коні почали здихати, трупний сморід отруював повітря. Але козаки, хоч і мусили їсти кінську шкіру, трималися стійко, сподіваючись на допомогу від гетьмана, який дійсно уже вирушив у похід. У ході одного із жорстоких боїв (12 вересня) козаки завдали ворогові тяжких втрат, але тут Тиміш дістав смертельну рану. У цьому випадку джерела незначно розходяться у своїх свідченнях: за одними даними Тимоша було поранено з гармати у бік, за іншими — в ногу, яку довелося відрізати, а гетьманич помер через три години. Деякі додають, що Тиміш Хмельницький робив тоді обхід артилерії на замкових валах, деякі пишуть, що шатро гетьманича шпигун позначив зеленою фарбою і саме туди скерував вогонь угорський пушкар. Достовірніші свідчення змальовують смерть Тимоша таким чином: гарматне ядро вдарило чи то в козацький віз, чи то у гарматне колесо, і одним з їхніх уламків тяжко покалічило ногу гетьманича в ділянці коліна. Виникла інфекція, розпочався «антонів вогонь» (гангрена), ампутація ноги не зупинила її, і Тиміш помер за три–шість днів (його смертельну рану козаки таїли від ворогів). За словами польського хроніста Рудавського, тіло гетьманича так розпухло, що ні одна з одежин Василя Лупу не могла його вмістити, хоч той і був досить тілистий. Перед смертю Тиміш устиг сповідатися священику і довідатися про радісну новину: Роксанда народила йому двох хлопчиків–близнюків (за даними австрійського дипломата С. Реніґера — одного сина)…

Смерть Тимоша Хмельницького викликала радість у ворожому таборі, що передали деякі польські хроністи, як от Самуель Твардовський («здохлий пес не кусає»). У такому ж дусі висловилися В. Коховський та інші, навіть кримський хан начебто сказав: «Хотів до чорта, то хай тепер і йде до нього». Прихильний до України Павло Алепський з гіркотою писав про загибель Тимоша Хмельницького: «…Це був герой, про якого ми ще не знали в історії, немає в ній прикладу такої відваги та сили». Серед обложених козаків ця смерть викликала жаль і занепад духу. Із загибеллю спадкоємця молдавського престолу багато в чому втратила сенс і оборона Сучави. Щоб запобігти смерті від голоду чи від ударів переважаючих ворожих сил, козаки почали мирні переговори. Новий командувач — полковник Микола Федорович (Носачик) добився 9 жовтня досить пристойних умов капітуляції: козакам (їх залишилось понад 4000) гарантувалося не тільки життя, але й вільний вихід із Сучави і повернення в Україну із зброєю, включно з гарматами і прапорами. Це й було вчинено. Тіло Тимоша Хмельницького козаки забальзамували, поклали в труну, обшиту оксамитом ззовні і всередині, вкрили білим покривалом з нашитими червоними та чорними хрестами, засипали сіллю, щоб тіло не розклалося, поклали на воза і так повезли в Україну, а Сучавою оволодів 10 жовтня Георгій Стефан. Останній дав наказ покалічити дітей Лупу: розпороти носа його синові (своєму хрещенику!) та вухо його дочці, щоб вони не могли претендувати на панування.

Вирушивши табором з–під Сучави, козаки досить швидко дісталися Умані. Там їх зустрів гетьманський свояк Павло Яненко, який очолив траурну процесію. (Федоровича було взято під арешт, а потім начебто й страчено). 2 листопада у Суботові її зустріла вбита горем Роксанда. На прохання гетьмана скрізь по церквах поминали покійного, правили панахиди. Потім тіло гетьманича перевезли до Чигирина (його супроводжувала Роксанда), де ще в полі їх зустріло духовенство в ризах і з образами. При в’їзді до Чигирина назустріч вийшли сама гетьманша (Ганна Золотаренко–Хмельницька), молодший брат Юрій, сестри, наказний полковник Василь Томиленко і козаки. Коли тіло заносили до церкви, козаки стріляли з рушниць, а в місті били гармати. Померлого поки що не ховали, постійно читали над ним Псалтир. Духовенство склало панегірики на честь покійного, польський хроніст Рудавський передав чутку, що Тимоша оголосять славним мучеником, який поліг у боротьбі за православну віру («грецькі лестощі наділили небесними почестями і проголосили славним мучеником»). Пізніше прибув Богдан Хмельницький і відбувся похорон. Гетьманича поховали у Свято–Михайлівській церкві у Суботові. Над гробницею гетьманича за козацьким звичаєм повісили велику корогву, на якій було намальовано кінний портрет покійного з мечем у правій руці і з булавою у лівій. На передньому плані було зображено також Молдавію, спадкоємцем престолу якої мав бути Тиміш. За свідченням Павла Алепського, який брав участь у панахиді, що її проводив антіохійський патріарх Макарій над гробницею гетьманича 13 (3) серпня 1653 р., «ця картина викликала сльози глядача». Пізніше Богдан Хмельницький збудував у стилі козацького бароко прекрасну Свято–Іллінську церкву, яка збереглася донині. Саме у цей храм і було перенесено тіло гетьманича. У 1657 р. поруч було поховано і його батька — Богдана Хмельницького. Але лежати спокійно прахові гетьманича не судилося. Згідно з Чернігівським літописом у 1664 р. польський воєначальник Стефан Чарнецький спалив Суботів і наказав витягти з трун тіла батька й сина Хмельницьких і спалити їх. Але цю версію заперечували деякі українські історики, насамперед академік І. Крип’якевич. Є й переказ про те, що суботівці зуміли десь перепоховати останки Хмельницьких, щоб вони не дісталися на поталу ворогам. Археологічні розкопки, які проводилися у Свято–Іллінській церкві, виявили рештки декількох чоловічих поховань XVІІ ст., але й досі неможливо твердити, чи вони мають якесь відношення до Богдана й Тимоша Хмельницьких…