Чудово розуміючи, що за умов, які склалися, початок війни з Росією є лише питанням часу, І. Виговський йде на рішуче зближення з Польщею. 16 вересня 1658 р. він уклав з польським урядом Гадяцький договір. За його умовами Україна як формально незалежна держава під назвою Велике Князівство Руське на рівних правах з Польщею та Литвою ставала третім членом федерації — Речі Посполитої. Територія князівства охоплювала Київське, Брацлавське та Чернігівське воєводства. Верховна влада належала гетьманові, який обирався довічно та затверджувався королем. Українська армія мала нараховувати 30 тис. козаків та 10 тис. найманого війська. Православні віруючі зрівнювалися в правах з католиками.
Водночас Гадяцький договір передбачав відновлення адміністративно-територіального устрою, що існував до 1648 p.; повернення польським магнатам і шляхті маєтків в українських землях; відновлення повинностей українського селянства. Крім того, Українська держава позбавлялася права на міжнародні відносини.
Укладення Гадяцького договору прискорило хід подій. Невдовзі російський цар Олексій Михайлович видав грамоту до українського народу, у якій Виговського було названо зрадником, та містився заклик до народу чинити непокору гетьманові. У листопаді 1658 р. російське військо на чолі з Г. Ромодановським перейшло кордон України. Після того, як навесні наступного року під Путивлем до нього приєдналися князі О. Трубецькой та С. Пожарський, чисельність армії вторгнення сягала 100 тис. осіб. Розпочалися активні дії. Початок агресії був вдалим для росіян. Козацькі загони зазнали поразки під Ромнами та Лохвицею. Вирішальна битва відбулася в червні 1659 р. під Конотопом. Вона тривала три дні й закінчилася цілковитою перемогою І. Виговського. Москву охопила паніка, царський двір збирався втікати до Ярославля.
Проте гетьману не вдалося скористатися наслідками своєї перемоги. Гадяцький договір викликав невдоволення, зростання опозиції, посилення промосковських настроїв. Обставини ускладнювалися збереженням у Києві московської залоги на чолі з В. Шереметьєвим та нападом запорозького кошового Сірка на Крим, що змусило татар — союзників гетьмана — повернутися додому. За таких обставин І. Виговський у жовтні 1659 р. зрікається булави та виїжджає до Польщі.
Намагаючись уникнути громадянської війни, пом'якшити соціальну напругу, запобігти територіальному розколу, старшина знову проголошує гетьманом Ю. Хмельницького. Розрахунок був на те, що «чарівне ім'я Хмельницького» (вислів І. Крип'якевича) стане тією силою, яка забезпечить єдність еліти, консолідацію суспільства та стабільність держави. Зрозуміло, що юний Юрій був не стільки прапором, скільки ширмою для елітної групи старшини, що стояла за його спиною. Найближчими радниками гетьмана стали досвідчені політики та воєначальники — генеральний осавул І. Ковалевський, прилуцький полковник П. Дорошенко та запорозький кошовий І. Сірко. Уряд Ю. Хмельницького для збереження української державності обрав тактику не прямого протистояння, а обережної гри на суперечностях між Москвою та Варшавою. Старшина, як доповідав королю А. Потоцький, вирішила «не бути ні під вашою королівською милістю, ані під царем; сподіваються вони цього досягти обманюючи і лякаючи нашу королівську милість царем, а царя вашою королівською милістю».
Однак уже на початку свого другого гетьманування Юрій припустився фатальної помилки: він прибув для переговорів з російською стороною до Переяслава, де стояв з великим військом О. Трубецькой. Пізніше юний гетьман згадував: «Я два тижні був в'язнем; що хотіли, те й робили зі мною». Отже, до шантажу вдалася не українська сторона, а російська. Новий Переяславський договір, ухвалений 27 жовтня 1659 p., фактично перетворював Україну на автономну частину Росії: переобрання гетьмана мало здійснюватися лише з дозволу царя; гетьман втрачав право призначати і звільняти полковників, карати без суду смертю старшин, виступати в похід без царського дозволу; заборонялися відносини з іншими країнами; у Переяславі, Ніжині, Чернігові, Брацлаві та Умані мали право розташовуватися російські залоги; Київська митрополія підпорядковувалася Московському патріархатові.