Правда, к тому времени польским королем и великим литовским князем был избран сын Сигизмунда — Владислав IV. Он-то и пришел на выручку смоленскому гарнизону в августе 1633 года с 23-тысячной армией, которая 28 августа атаковала ключевую позицию осаждавших город царских войск — Покровскую гору и занимавший ее полк иноземного строя под командованием полковника Маттейсона. С помощью присланных подкреплений (отряды Прозоровского и Белосельского) первый натиск был отбит, но в упорном двухдневном сражении, состоявшемся 11–12 сентября, московские части были сбиты с этой позиции, а немалое число иностранных наемников не то было пленено, не то перешло на сторону противника. Шеин запаниковал, ограничился обороной и отдал инициативу Владиславу IV, который не преминул воспользоваться этим. Уже в октябре 1633 года его войска взяли Дорогобуж, где находились крупные запасы провианта, а затем польско-литовская конница обошла русский лагерь и перерезала дорогу, связывавшую Шеина с Москвой. В результате московское войско фактически было окружено. Попытка прорвать кольцо окружения, предпринятая в декабре, окончилась неудачей.
Отрезанная от баз снабжения армия Шеина под Смоленском стала страдать от холода и недостатка съестных припасов, а ее дисциплина и боеспособность резко упали. В конце концов эпидемии и голод вынудили Шеина вступить в переговоры. 15 февраля 1634 года, так и не дождавшись подкреплений из Москвы, он подписал почетную капитуляцию — московское войско беспрепятственно отпускалось домой со знаменами и личным оружием (без артиллерии) с обязательством четыре месяца не воевать против Речи Посполитой. В обратный путь отправилось всего 8 тысяч человек. Еще 2 тысячи больных остались под Смоленском на милость победителей. Обратно московские полки выступили в полной тишине со свернутыми знаменами. Поравнявшись с королем и его свитой, Шеин и другие воеводы сошли с коней, знаменосцы положили знамена на землю и отступили назад. Затем по специальному знаку знамена развернули и ударили в барабаны. Это была одна из самых крупных неудач московской армии в XVII веке. В Москве поражение восприняли очень болезненно. После «разбора полетов» командующий Михаил Шеин и окольничий Артемий Измайлов с сыном Василием были признаны виновными в поражении и казнены 28 апреля 1634 года.
Решив проблему Смоленска, Владислав IV двинулся в поход на Москву, но на пути его войска непреодолимой преградой встала небольшая крепость Белая, упорная оборона которой в феврале — марте 1634 года остановила наступательный порыв короля. Защитники Белой отбили все приступы и даже сделали дерзкую вылазку, во время которой захватили 8 знамен противника. Находясь под стенами крепости, армия Владислава терпела немалую нужду от голода и холода. По свидетельству источников, для многих из них и кусок хлеба с водою был лакомством. Даже сам король ограничил свой обеденный рацион лишь половиной курицы, а другую половину откладывал до следующего раза. В его частях началось дезертирство.
Тем временем близ Можайска была спешно сформирована новая московская армия (10 тыс. чел.) под командованием воевод Дмитрия Пожарского и Дмитрия Черкасского. Не располагая достаточными силами для затяжной войны, а также из-за больших потерь под крепостью Белой (по причине большого кровопролития поляки и литвины прозвали ее «Красной») и опасаясь нападения на Польшу Турции, Владислав IV отказался от похода на Москву и предложил начать переговоры о мире. Они состоялись 17 мая — 4 июня 1634 года в деревне Семлево на реке Поляновка, между Вязьмой и Дорогобужем. Русскую делегацию возглавляли боярин Ф.И. Шереметев и окольничий князь А.М. Львов, делегацию Речи Посполитой — коронный канцлер епископ Ян Задзик и гетман ВКЛ Христофор Радзивилл. Поляновский мир подтвердил границу между Московским царством и Речью Посполитой, установленную Деулинским перемирием 1618 года, то есть Москва отказалась от прав на все земли, захваченные у нее Речью Посполитой в Смутное время (исключая Серпейский уезд), и обязалась выплатить 20 тысяч рублей контрибуции.
