Летом 1534 г. литовские войска под командованием гетмана Радзивилла перешли российскую границу и вместе с крымскими отрядами совершили рейд по брянским и черниговским областям. Они не сумели захватить крупные города и в то же время не встретили на пути какие-либо значительные московские войска. Из-за угрозы нападения крымского хана главные российские силы стояли в то время под Серпуховом. Но в сентябре - октябре московская сторона сумела нанести контрудар. Русские полки под командованием Никиты Оболенского и Бориса Горбатого вторглись в литовские области и совершили рейд почти до Вильны.
В следующем году литовцам удалось овладеть Гомелем и взять штурмом Стародуб. В свою очередь, русские воздвигли на пограничных литовских землях крепости Себеж и Заволочье. Расчеты Сигизмунда на бессилие московского правительства и на внутренние неурядицы не оправдались. Борьба приобретала затяжной характер, а к ней литовский князь не был готов. Сигизмунд стал склоняться к мирным переговорам, начало которых ускорил разгром 20-тысячной литовской армии под стенами крепости Себеж 27 февраля 1536 г. В честь этой победы Елена Глинская велела заложить в Себеже церковь Живоначальной Троицы. Но несмотря на этот успех, московская сторона, озабоченная угрозой нападения со стороны Казани и Крыма, не могла перейти к активным наступательным действиям.
Наконец, обе стороны заключили перемирие. Русские уступили литовцам Гомель, но сохранили за собой построенные на литовской территории крепости Заволочье и Себеж.