Polskie zwycięstwa pod Cudnowem, Słobodyszczami, Połonką i Basią oraz rokowania dyplomatyczne nie zakończyły konfliktu z Moskwą. By odebrać utracone wcześniej prowincje, należało ponownie wyprowadzić armie w pole. Jan Kazimierz zagwarantował sobie pomoc Tatarów, a mianując hetmanem kozackim Pawła Teterę uspokoił Ukrainę. Dla dworu królewskiego zwycięstwo nad wschodnim sąsiadem było koniecznością. Zwycięski pokój wzmocniłby pozycję panującego, co być może pozwoliłoby na wprowadzenie w kraju zbawczych reform.
W połowie sierpnia 1663 roku 24-tysięczna armia polska, podzielona uprzednio na kolumny, ruszyła z Lwowa w kierunku Białej Cerkwi. Na przedzie szedł chorąży koronny Jan Sobieski z sześciotysięcznym oddziałem kawalerii. W szeregach nie było spokojnie. Tlił się bunt nieopłaconych żołnierzy, coraz bardziej skonfliktowanych z Jerzym Lubomirskim, który ostentacyjnie opuścił szeregi i wyjechał do Łańcuta. Bunt udało się krwawo spacyfikować i wreszcie przeprawiwszy się przez Dniepr pod Rżyszczewem, skierowano się w głąb państwa carów. Armią kierowali osobiście Jan Kazimierz oraz Stefan Czarniecki. W trakcie kampanii wojennej coraz bardziej uwidaczniał się talent innego dowódcy – Jana Sobieskiego, który dowodził samodzielną grupą operacyjną, wspomaganą przez Kozaków i Tatarów. Po zdobyciu Boryspola dotarł nad Worsklę, zdobywając do końca grudnia pięćdziesiąt dwie miejscowości. W trakcie walk pod Przyłukami, Sobieski otrzymał rozkaz połączenia się z głównymi siłami.
Król i Czarniecki przełamując silny opór zdobyli Sałtykową Dziewicę, a następnie na trzy tygodnie utknęli pod Głuchowem. Nie zdobywszy moskiewskich fortyfikacji, odstąpiono od oblężenia. Kolejnym celem był Siewsk, gdzie Polacy dotarli w połowie lutego 1664 roku. Czekała tam już armia litewska dowodzona przez nowo mianowanego hetmana polnego Michała Paca. 17 lutego król dokonał demonstracyjnego przeglądu wojsk, jednak ze względu na wyczerpanie żołnierzy, marszu na wschód już nie kontynuowano.
Nieudany pochód na Moskwę nie był ostatnim zbrojnym akcentem wojny polsko-moskiewskiej. Przeciwko Polsce znów wystąpiła część Kozaków pod wodzą hetmana Iwana Brzuchowieckiego. Jan Sobieski, zgodnie z wydanym mu rozkazem, wciągnął Kozaków w zasadzkę. Udając ucieczkę, wyprowadził nieprzyjaciela wprost na całą królewską armię. Pokonany w polu Brzuchowiecki zamknął się w taborze, którego nie potrafiono już zdobyć. Po tej walce Sobieski dowodził strażą tylną, staczając zwycięskie bitwy z Kozakami i Rosjanami pod Sośnicą i Kopyśnikami.
W marcu armia koronna „pieszo, boso i głodno” zjawiła się na Ukrainie, by zdusić kolejne kozackie powstanie. Chorąży koronny, na czele udzielnego korpusu, został wysłany w kierunku Kijowa, skąd spodziewano się ataku. Ten jednak nie nastąpił. W sierpniu ostatecznie opuścił Ukrainę, niczego już nie zwojowawszy.
Wyprawa moskiewska nie przyniosła rozstrzygnięcia i nie doprowadziła do podporządkowania Zadnieprza. Król szykował się już do walnej rozprawy z opozycją, a wyniszczony kraj nie był w stanie toczyć kolejnej wojny. W 1667 roku podpisano więc kompromisowy traktat w Andruszowie, dzielący Ukrainę pomiędzy Polskę i Moskwę.
Kampania wojenna z lat 1663-1664 unaoczniła jednak militarne talenty Jana Sobieskiego, co wraz z poparciem dworu w nieodległej przyszłości przyniosło mu buławę hetmańską.
