Виговський та Юрій Немирич швидко порозумілися з представником короля Яна Казимира волинським каштеляном Станіславом Казимиром Беневським відносно союзу України з Річчю Посполитою, але на нових принципах. Вже 31. 08. 1658 р. була підписана «субмісія» козацької старшини щодо порозуміння з Річчю Посполитою, а пізніше з відповідною декларацією виступив Виговський. 18 вересня 1658 р. у козацькому таборі під Гадячем було підписано договір України з Річчю Посполитою, так званий Гадяцький трактат (Гадяцька комісія, Гадяцький пакт), яким формально денонсувався російсько-український договір 1654 р. Беневський доповів уряду Речі Посполитої про укладення Гадяцького трактату, «ствердженого письмом та присягою». Невдовзі до Варшави вирушило українське посольство (Костянтин Виговський, Іван Груша, Василь Кропивницький, Юрій Немирич, Тиміш Носач, Павло Тетеря та ін.), для остаточного порозуміння та допомоги гетьману. Одночасно Виговський став шукати контактів з Австрійською та Османською імперіями.
Суть Гадяцького трактату зводилася до наступного: Україна-Гетьманщина під назвою «Велике князівство Руське» діставала фактично ті ж права, що і Велике князівство Литовське і входила на цих засадах до Речі Посполитої. Отже, вона формально переставала бути колонією Польщі і створювала з нею та Великим князівством Литовським конфедерацію вже не двох, як раніше, а «трьох націй» («Річ Посполита трьох націй»). На території України діяв окремий уряд, існували окрема армія, скарб, монета, діловодство велося українською мовою. Гадяцький трактат ліквідував унію на території України. Значна частина козацької старшини від кожного полку мала бути нобілітованою. Важливі статті Гадяцького трактату стосувалися розвитку освіти в Україні, зокрема заснування двох університетів (академій), в тому числі Києво-Могилянської, розвитку навігації на Чорному морі, свободи слова та ін. Дуже важливо, що Гадяцький трактат не мав формального спрямування проти Москви, більше того він залишав місце і для неї як для рівноправного члена конфедерації. В цілому Гадяцький трактат, що сформувався на грунті Зборівського договору, справляє зовні дуже привабливе враження і є принаймні більш виваженим і чітким, ніж договір України з Росією 1654 р., він демонструє виразний вплив західноєвропейської політичної думки (це було заслугою Юрія Немирича). Гадяцький договір особливо палко підтримав Павло Тетеря, сказавши зокрема: «Згодимося молойці з ляхами, більш будем мати, покірне телятко дві матері ссе», на що присутні козаки відповіли: «От тою всю правду сказав, згода, згода, згода». Списки договору стали потроху поширюватися, він викликав позитивну оцінку у значної частини українського суспільства. Особливо красномовними є свідчення з Корсунської ради (листопад 1660 р.), де козацька маса вперше дізналася про зміст Гадяцького договору і схвально поставилася до нього, нарікаючи на Виговського, що він їм його не дав, бо тоді «ніколи б не дійшло до поганого». Але опозиція не сприйняла Гадяцький договір. Ширилися підозри, що Виговський хоче ліквідувати козацтво. З різкою критикою договору виступив відомий москвофіл, ніжинський протопоп Максим Филимонович, який зокрема написав: «дайте нам спокойноє, хоч в неволі москєвской житє, …ми вашим золотим вольностям, Гадяцьким пунктом сенаторським…нітрохи не завидуємо; …хотяй вас король польський не толко на столах сенаторських, але и на колінах своїх посадит».
Виговський сподівався на швидку ратифікацію договору сеймом Речі Посполитої, навіть на його коригування в корисний для України бік, тому на сейм 1659 р. українське посольство на чолі з Павлом Тетерею повезло деякі важливі доповнення, наприклад про заміщення посади гетьмана в разі смерті Івана Виговського його братом Данилом. Але ситуація в Україні погіршилася і це відбилося в рішеннях сейму. Короткозорий уряд Речі Посполитої до того ж відчув на собі потужний тиск римської курії в релігійному питанні. Через це текст договору, ратифікований на сеймі, був гіршим для України, ніж той, який було узгоджено в Гадячі. Це стосується зміни пункту про ліквідацію Берестейської унії, також у договорі було зменшено Реєстр Війська Запорізького на 20 тис. тощо. Один з ініціаторів Гадяцького договору Юрій Немирич навіть відмовився присягати, а Виговський, дізнавшись про ці зміни у тексті договору, заплакав. Сучасна дослідниця Т. Яковлева вірно оцінила позицію гетьмана і його сподвижників у цьому питанні: «державність України була для них важливішою, ніж союз із Польщею».