В январе 1659 года из Москвы вышло войско князя Алексея Никитича Трубецкого. В апреле оно со стороны Путивля вторглось на Украину, осадив город Конотоп, где засели сторонники Выговского. Осада затянулась до июня, когда на помощь осажденному городу пришли основные силы казаков вместе с татарами. Утром Выговский с частью своих сил, совершив вылазку против русского лагеря, обратился в притворное бегство. Когда его бросились преследовать князья Семен Пожарский и Семен Львов, он заманил русских туда, где ждали остальная часть его войска и татарская орда во главе с ханом Мехмед-Гиреем. Как только Пожарский переправился через болотистую речку Сосновку, его отряд был окружен и разбит превосходящими силами противника. Доставленный в стан победителей Пожарский, как писал С. М. Соловьев, «выбранил хана по московскому обычаю», а по другим данным, еще и плюнул ему в лицо, за что тут же был казнен — ему отрубили голову. Сторонники Выговского уверяли, что русское войско, насчитывавшее 100 тысяч человек, потеряло в сражении до 50 тысяч убитыми. На эти «факты» до сих пор ссылаются украинские националисты, объявляющие Конотоп одним из крупнейших поражений русской армии за всю ее историю. На самом деле в соединенных частях Пожарского и Львова было около сорока тысяч человек, потери которых составили до семи тысяч убитыми и пленными. Примерно столько же потеряли казаки и татары.
Тем временем донские и запорожские казаки, пользуясь уходом основных сил татар на войну, начали совершать набеги на владения крымского хана, прорываясь и в сам Крым. Узнав об этом, хан оставил своего союзника Выговского и поспешил домой. Несмотря на это, гетман попытался выбить русский отряд из Киева, но снова был разбит. Киевский воевода Василий Шереметев докладывал в Москву, что после этого командиры большинства казачьих полков отказались от поддержки гетмана и присягнули царю. В сентябре они выбрали новым гетманом сына Богдана Хмельницкого восемнадцатилетнего Юрия. Выговский без сопротивления переслал ему гетманскую булаву, а сам бежал в Польшу.
Избавление от Выговского в условиях ухода из Украины крымско-татарского войска радикально изменило положение дел. Вступление войска Трубецкого в украинские пределы было встречено с энтузиазмом. Во всех городах перед русским войском открывали ворота, а полковники и старшины клялись царю в верности. Прибыв в Переяслав, Трубецкой встретился там с Юрием Хмельницким, который за всех казаков попросил у него прощения, «поскольку отлучились они от него не по своей воле, а принудил их к этому Ивашка Выговский». 17 октября за городом была созвана рада, на которой казаки практически единогласно избрали Юрия гетманом и снова принесли клятву быть «навеки вместе» с Русью. Однако этот временный успех вскоре поставил русских военачальников перед фактом коварной измены Юрия Хмельницкого и его сторонников. Вера на слово заверениям и клятвам, произносимым в ходе хлебосольных трапез, не раз приводила к горькому разочарованию. «Шатость» Хмельницкого и ему подобных оборачивалась трагическими эпизодами кровопролитных столкновений 1660–1662 годов, в ходе которых русские несли невосполнимый урон.
В Белоруссии между тем военные действия возобновились. В январе 1660 года князь Иван Хованский взял штурмом крепость Брест и в трех сражениях разбил три польские армии. Однако сражение у города Ляховичи сложилось для него неудачно: осаждавшие город русские войска были разбиты, два сына Хованского ранены, а сам он с оставшейся частью войска отошел к Полоцку. После этого поляки двинулись в направлении Могилева и возле близкого к городу села Губарева встретились с войском князя Юрия Алексеевича Долгорукова. В ходе трехдневного сражения русские, вначале попавшие в окружение, стойко сопротивлялись и заставили врагов отступить. К тому времени на юге войско под командованием князя Шереметева, подкрепленное казаками Юрия Хмельницкого, начало новый поход на Львов. Там русские встретились с превосходящими силами поляков и крымских татар и в ходе непрерывных боев понесли большие потери. После одной из битв у города Чуднова посланцы Выговского в ходе тайных переговоров убедили Хмельницкого отречься от Москвы, «которой силы уже сокрушены, которая более не светит, а чадит, как погасающая лампада». Подумав, Юрий 8 октября переметнулся на польскую сторону и дал присягу на верность королю.