Стремясь предупредить польско-литовское наступление на западном направлении, московские воеводы осадили Мстиславль, но взять его не смогли. На северо-западном театре военных действий в районе озера Себеж тем временем была построена крепость Ивангород (будущий Себеж), но Сигизмунд I в июле 1535 года нанес удар не там, а на юго-западе. 16 июля литовско-польские войска взяли Гомель, а 30 июля осадили Стародуб. Из-за набега крымских татар на Рязанщину (август 1535 года) московское командование не имело возможности оказать помощь крепости, и Стародуб был взят штурмом с использованием мин, которые в русско-литовских войнах использовались впервые. Минными работами под стенами города руководил «Ербурд с товарыщи». Произведенный 29 августа взрыв разрушил 4 прясла стены и стрельницу, что послужило сигналом к началу штурма. Защитники крепости упорно сопротивлялись, а московский наместник князь Ф.В. Овчина-Оболенский дважды выбивал «литву» и жолнеров из города, но во второй раз они «утесниша его к телегам» взяли в плен. Стародуб горел; хотя кое-где защитники еще продолжали борьбу. В конечном счете город был уничтожен до основания, а победители взяли большой «полон». Летописцы рисуют ужасающую сцену устроенной там резни: «Подсадных людей и пищальников и чернь сажали улицами да обнажали да секли». Согласно Евреиновской летописи, пленных детей боярских казнили целый день, «и много трупов мертвых… лежаше до тысечи». Один из польских сановников писал в декабре 1535 года советнику императора К. Шепперу, что перед шатром Тарновского было казнено 1400 «бояр».
От разоренного Стародуба литовско-польская армия двинулась к Почепу, жители которого еще до ее-приближения сожгли свой город и бежали к Брянску, так же поступили и белевские князья со своим городом. Армия ВКЛ заняла Почеп и Радогощ. По существу вся Северщина оказалась в ее руках, но удержать завоеванные земли литвины не смогли. Король тщетно требовал от панов-рады позаботиться о восстановлении укреплений Стародуба, Почепа и Радогоща, пока армия находилась в Северской земле. Сделано это не было, а польские наемники вскоре заявили об окончании срока найма (для его продления денег в казне не было) и отправились домой, делая по пути «остановки» в господарских владениях Литовско-Русского княжества. Вслед за ними отступило и собственное войско ВКЛ, которое тоже было распущено. Лишь в пограничных крепостях Великого княжества Литовского (Полоцке, Орше, Рогачеве и др.) были оставлены на зиму отряды наемников — всего, по некоторым данным, 3 тысячи человек. Единственным приобретением ВКЛ в этой кампании, которое удалось сохранить, был Гомель.
Потеряв надежду на достижение решительного перелома в войне, в сентябре 1535 года Сигизмунд I начал переговоры с Москвой. С февраля 1536 года дипломатическая переписка велась уже непосредственно между литовской радой и московскими боярами, хотя до окончания войны было еще далеко. В военных действиях наступила пауза — они теперь больше напоминали серию налетов и пограничных стычек. 27 февраля 1536 года киевский воевода А. Немирович и полоцкий воевода Я. Глебович, например, подступили с «великим нарядом» и 20-тысячным якобы войском к Себежу. Численность литовского отряда здесь сильно преувеличена. Ближе к истине следует считать данные, сообщенные в марте из Вильни прусскому князю Альбрехту, согласно которым на Себеж наступало примерно 1200 человек. Артиллерийский обстрел города не дал результата, а себежские воеводы И.М. Засекин и А.Ф. Тушин сделали вылазку и отбили набег.
В рамках укрепления западной границы Московского государства в январе 1536 года был построен земляной город Заволочье в Ржевском уезде, включая Покровскую церковь и другие гражданские строения. 10 апреля началось восстановление Стародуба. За три месяца были возведены земляные укрепления, церкви, оставлен гарнизон. 19 апреля было велено поставить город Велиж в Торопедком уезде, а в июле он уже был «докончен».
Столь активная градостроительная деятельность на восточных рубежах Великого княжества Московского потребовала от правительства ВКЛ принятия ответных мер. Они обсуждались на апрельском вальном сейме в Вильне, после чего появились «военные листы», подписанные Сигизмундом I 24 апреля 1536 года. Согласно им все подданные ВКЛ призывались на службу и должны были собраться на Друцких полях к Петрову дню (29 июня). За промедление король грозил лишением жизни и имения.
