17 мая 1656 г. Россия объявила войну Швеции. На этот раз русской дипломатии удалось создать антишведскую коалицию, куда вошли Дания и Польша. Коалиция поддерживалась Священной Римской империей.
Русские силы были разделены на две армии: первая шла из Смоленска на Ригу, вторая – из Пскова и Новгорода на Дернт. В Карелии и Ижоре также действовали вооруженные отряды. В июле 1656 г. русские войска пересекли границу между Россией и Швецией в Ливонии. 31 июля был взят Динабург, 14 августа – Кокнес. Крепости имели важное стратегическое значение, так как прикрывали дорогу на Ригу. 21 августа 1656 г. началась осада Риги. Несмотря на сильный артиллерийский обстрел, город не удавалось взять. Главной проблемой была невозможность блокировки города со стороны моря из-за отсутствия флота, что позволяло шведам подвозить туда продовольствие и припасы. Под Ригой в очередной раз изменили наемные иностранные офицеры. Переметнувшись к врагу, они указали, где в русском лагере хранятся припасы и наиболее уязвимые места в обороне. Эти сведения позволили шведам сделать успешное нападение на русский лагерь. В октябре 1656 г. русским пришлось остановить осаду Риги. Некоторой компенсацией было взятие Дерпта 12 октября того же года. К концу 1656 г. шведы потеряли восточную часть южной Ливонии с крепостями Нейгауз, Кокнес, Дерпт, Динабург, Мариенбург.
В Карелии и Ижорской земле Россия не располагала значительными силами. В июне 1656 г. был осажден город Корела (Кексгольм). Взять его не удалось, но вместе с отступавшими русскими войсками ушло множество местного населения. Более успешными были действия отряда Петра Потемкина. 3 июня он осадил Нотебург (бывшую русскую крепость Орешек), сходу взял Ниеншанц (крепость в устье Охты, на месте современного Санкт-Петербурга), 22 июня разбил шведов у острова Котлина. В ноябре отряд Потемкина отошел к Новгороду.
В кампанию 1657 г. шведы пытались отыграться за неудачи предыдущего года. Они осаждали Псково-Печерский монастырь, но взять его гак и не смогли. Шведской армии удалось разбить русский отряд под Валком. В начале сентября в Россию вступила шведская армия под командованием Магнуса Делагарди. Его восьмитысячный отряд осадил крепость Гдов. Гарнизон крепости держал осаду и делал вылазки, пока псковский отряд воеводы Хованского не прогнал осаждавших. Делагарди приказал отступать, не дожидаясь подхода русских войск. Но шведы были настигнуты в 5 км от Гдова на р. Перми. В результате короткого боя их обратили в бегство и преследовали около 20 км. Шведы бросили пушки в Чудское озеро с целью облегчить себе отступление, но, не смотря на это, их потери были весьма велики.
После разгрома шведов воевода И. А. Хованский продолжил движение в глубь шведской территории, разорил окрестности Нейшлосса и Нарвы, выведя оттуда местное население, и вернулся в Псков. В начале 1658 г. Хованский выдвинулся под Нейшлосс, заставив шведов бежать в Нарву, потом осадил Нарву и Ямбург. В феврале 1658 г. Дания была вынуждена заключить мир со Швецией, что позволило Шведской короне полностью сконцентрироваться на русском фронте. Губернатор Нарвы Густав Горн сумел отбить Ямбург и Ниеншанц. После этого военные действия завершились.
22 августа 1658 г. князь Хованский и губернатор Горн заключили перемирие, а в ноябре под Нарву, в городок Велиесари, начали съезжаться послы для дальнейших переговоров. Русскую делегацию возглавлял князь И. С. Прозоровский . По условиям достигнутого перемирия Россия на три года сохраняла контроль над всеми завоеванными территориями. Через три года был заключен Кардисский мирный договор. Переговоры о мире шли с середины весны по конец июня 1661 г. Русскую делегацию, как и в Велиесари, возглавлял Прозоровский, шведскую – Бенгт Горн. Россия возвращала Швеции все отвоеванные города (Дерпт, Нейгауз, Нейшлосс, Мариенбург, Кокенгауз). Кроме того, русские были обязаны оставить в городах большие запасы: 10 тыс. бочек ржи и 5 тыс. бочек муки. Была оговорена особая статья, касавшаяся торговли: русским купцам было дозволено иметь свои торговые дворы в Нарве, Ревеле, Риге, Стокгольме; шведские купцы могли иметь торговые дворы в Москве, Новгороде, Пскове, Переяславле. Объявлялось взаимное право свободного проезда послов обоих государств по русской и шведской территориям. Для решения спорных территориальных вопросов избирались специальные следователи, которые выезжали на границу и решали спор сообща.
Кардисский мирный договор 1661 г., как и всю русско-шведскую войну 1656–1661 гг., можно считать неудачей политики Алексея Михайловича. России не удалось вернуть земли в Прибалтике, потерянные по Столбовскому миру 1618 г. Территории, завоеванные в годы войны, были возвращены Швеции. Война ослабила позиции России в противостоянии с Речью Посполитой.
