Российское командование разделило свои силы на два фронта. Одна группировка действовала в бассейне Невы, где русские взяли основные крепости Нотебург (Орешек) и Ниеншанц. Основная же группировка во главе с самим царем действовала в Прибалтике. Здесь русские взяли штурмом Динабург (Даугавпилс) и Кокенгаузен (Кокнесе), а в августе 1656 г. осадили Ригу. Отдельный отряд в октябре 1656 г. овладел Дерптом (Тарту).
Центральным событием русско-шведской войны стала осада Риги в августе - октябре 1656 г. Этот крупнейший порт и опорный пункт Швеции в Восточной Прибалтике защищал гарнизон под командованием генерала Магнуса Делагарди. Русское войско осадило Ригу 23 августа, а 1 сентября начало обстрел города с шести батарей. Но недостаток сил для взятия столь крупной крепости, а также отсутствие флота для ее блокады со стороны моря не позволили Алексею Михайловичу достичь успеха. Кроме того, в тылу у его войск развернулось движение местных крестьян, которые истребляли русские отряды, посылаемые для добычи продовольствия. 2 октября Делагарди, получив крупные подкрепления, сделал смелую вылазку и нанес осаждавшим серьезное поражение. Все это заставило царя снять осаду Риги и отступить к Полоцку. После неудачи под Ригой борьба Алексея Михайловича за Прибалтику приобрела неблагоприятный оборот.
В 1657 г. шведы перешли в наступление в Карелии, а также вытеснили русских с большей части территории Ливонии. В 1658 г. русские овладели Ямбургом (Кингисепп) и осадили Нарву, но вскоре были вынуждены снять осаду. В том же году из-за возобновления войны с Польшей и обострения ситуации на Украине, русские пошли на перемирие со шведами. По Валиесарскому договору (20.12.1658, д. Валиесар, близ Нарвы) стороны заключали трехлетнее перемирие с удержанием за русскими занятых ими территорий, прежде всего Дерпта (Тарту) а также Кокенгаузена, Мариенбурга, Сыренска.
Кардисский мир (1 июля 1661, Кардис, ныне Кярде, Эстония).
Невыгодный для России мир был вынужденно заключен после неудачных военных действий на Украине (поражение под Конотопом (1659), разгром под Чудновым (1660), раскол на Украине). За обязательство Швеции не помогать Польше в русско-польской войне 1654-1667 Россия отказывалась от территориальных приобретений по Валиесарскому перемирию 1658. Восстанавливалась граница, установленная Столбовским миром 1617 года.