Между тем война, по существу, зашла в тупик. Дипломатические переговоры между Москвой и Вильней продолжались, но не приносили мира — ни одна из сторон не хотела отказаться от своих притязаний. В 1566 году царь созвал в Москве земский собор, чтобы решить дилемму: либо оставить Ливонию, либо возобновить войну. Собор проголосовал за продолжение войны. А Виленский сейм ВКЛ (1565–1566) полностью признал и подтвердил привилегии и политические права шляхты Великого княжества Литовского, которые потом были еще утверждены Вторым Литовским статутом 1566 года.
Тогда же вновь стал обсуждаться вопрос о союзе Польши и ВКЛ, причем шляхта Подляшья и Волыни всецело поддерживала такой союз. Его необходимость она объясняла тем, что поскольку их земли находятся на границе с Польшей, то они постоянно страдают от вторжений польских землевладельцев, от которых правительство ВКЛ их защитить не в состоянии. То есть они верили, что реальный союз с Польшей защитит их лучше. Сигизмунда Августа долго упрашивать не пришлось, он согласился как можно скорее созвать совместный польско-литовский сейм для решения вопроса о союзе с Польшей. Подтолкнули его к этому и неудачи армии ВКЛ под командованием гетмана Ходкевича, наступление которой в 1568 году было остановлено стойким сопротивлением гарнизона крепости Улла (на одноименной реке). Не в силах в одиночку справиться с Москвой Великое княжество Литовское и Русское взяло курс на заключение Люблинской унии 1569 года с Польским королевством. В результате на карте Европы появилось новое единое государство — Речь Посполитая, и это был едва ли не главный для Москвы негативный результат Ливонской войны. Поскольку при формальном равенстве сторон ведущая роль в этом государственном объединении принадлежала Польше. Выйдя из-за спины Литвы, Варшава отныне становится главным западным соперником Москвы, поэтому 4-й (заключительный) этап Ливонской войны можно с полным основанием считать первой русско-польской войной.
Но до этого был еще 3-й этап Ливонской войны (1570–1576), в ходе которого объединение потенциалов ВКЛ и Польши резко снизило шансы на успех Московского государства. Тем более что в это же время серьезно обострилась обстановка на южных рубежах страны. В 1569 году турецкая армия совершила поход на Астрахань, стремясь отрезать Россию от Каспия и открыть себе ворота для экспансии в Поволжье. Хотя он окончился провалом, крымско-турецкая военная активность в регионе не снижалась вплоть до победы московских войск над объединенными крымско-турецкими силами в битве у села Молоди в 1572 году. Ухудшились и отношения со Швецией. В 1568 году там был свергнут король Эрик XIV, у которого с Иваном Грозным сложились дружеские отношения. Новым шведским королем стал Юхен III, которого Эрик XIV до этого долго держал в заточении вместе с женой Катериной Ягеллонкой. Новое шведское правительство пошло на обострение отношений с Москвой и установило морскую блокаду нарвского порта, что очень затруднило московские закупки стратегических товаров. Более того, завершив в 1570 году войну с Данией, шведы занялись укреплением своих позиций в Ливонии. Ухудшение внешнеполитической обстановки совпало с ростом напряженности внутри самого Московского царства.
В этих условиях Иван IV пошел на заключение перемирия с Речью Посполитой, после чего начал борьбу со шведами, стремясь вытеснить их из Ливонии. Варшава и Вильня тоже пошли на это примирение неспроста. В Речи Посполитой доживал последние дни престарелый и бездетный король — великий князь Литовский Сигизмунд Август II. Ожидая его скорой кончины и выборов нового короля, польско-литовское государство стремилось не обострять отношения с Москвой, тем более что Иван Грозный считался в Варшаве одним из вероятных кандидатов на польский престол. Стремясь заручиться нейтралитетом Дании и поддержкой части ливонского дворянства в войне со Швецией, Иван IV создал на захваченных Москвой землях Ливонии вассальное королевство во главе с братом датского короля принцем Магнусом, что дало старт новому этапу борьбы за Ливонию, на сей раз в шведской части Эстонии.
Боевые действия против Швеции велись с переменным успехом, были изматывающими, но существенных результатов Москве не принесли. Войска Ивана Грозного дважды (в 1570–1571 и в 1577 гг.) осаждали Ревель (Таллин), но неудачно. В 1572 году они с трудом овладели небольшой крепостью Виттенштейн (современный город Пайде), однако в 1573 году потерпели сокрушительное поражение в битве близ замка Лоде, хотя там 16-тысячному московскому войску противостояло всего 2 тысячи шведских латников. Правда, в кампанию 1575–1576 годов московские войска сумели оккупировать почти всю Западную Эстонию (кроме Ревеля), но этот успех ни к чему не привел, так как Иван Грозный к тому времени уже двинул свои войска в польско-литовскую Ливонию, на что у него были свои причины.
