Одновременно с этим, началась подготовка к новым операциям против Литвы. Однако вскоре после блестящей победы под Полоцком русские рати стали терпеть поражения. Литовцы, встревоженные потерей одной из лучших своих крепостей, прикрывавшей северо-восточные рубежи своей страны, собрали все наличные силы, направив их к московской границе. Командовавший литовской армией гетман Николай (Миколай) Радзивилл хорошо подготовился к новому русскому наступлению и нанес царским воеводам неожиданный контрудар.
Сражение на реке Уле (у деревни Овлялицы), обернулось тяжелым поражением для русской армии прежде всего из-за полной неожиданности неприятельского нападения. Войско воевод П. И. Шуйского, князя Федора Ивановича Татева и Ивана Петровича Охлябинина, насчитывавшее около 18 тыс. человек, в январе 1564 г. двинулась из Полоцка к Орше. У села Барань «на Друцких полях» оно должно было соединиться с войском князей П. С. и В. С. Серебряных, которое, почти одновременно с полоцкой ратью выступило из Вязьмы.
В походе русские воеводы, успокоенные прошлыми победами, не приняли необходимых мер предосторожности. Не велась разведка, отряды служилых людей двигались по узким лесным дорогам нестройными толпами без оружия и доспехов, которые везли за ними следом на санях. Никто даже не подумал о возможном нападении литовцев. Тем временем, находившиеся первоначально в Лукомле, гетман Николай Радзивилл Рыжий и польный гетман литовский Григорий Ходкевич, получив через лазутчиков точные сведения о русском войске, двинулись ему навстречу.
В глухих чащобах близ реки Улы (соврем. Улла) литовцы подстерегли московскую рать. 26 января 1564 г. у деревни Овлялицы противник неожиданно атаковал ее на тесной лесной дороге. Войско противника было сравнительно немногочисленно (4 тыс. человек), но его неожиданному удару сопутствовал полный успех. Не успев принять боевой порядок и вооружиться, русские воины поддались панике и начали спасаться бегством, бросив обоз — 5 тыс. саней. Главный воевода князь Петр Иванович Шуйский за свою поразительную беспечность заплатил собственной жизнью. Один из лучших русских полководцев, знаменитый покоритель Нейгауза (Новогородка), Кирнпе (Керепети), Дерпта (Юрьева Ливонского), Лаиса (Лаюса) и других ливонских крепостей и замков погиб, по одним сведениям, в начавшемся избиении своих почти безоружных воинов, по другим — был убит местными крестьянами.
В числе павших на Уле москвичей были и другие русские военачальники князья Семен Дмитриевич и Федор Дмитриевич Палецкие. В плен попали командовавший Передовым русским полком воевода Захарий Иванович Очин-Плещеев, третий воевода Большого полка И. П. Охлябинин и 700 человек дворян и детей боярских. Узнав о разгроме войска Шуйского литовцами, вторая русская рать князей П. С. и В. С. Серебряных отступила от Орши к Смоленску, по дороге разорив окрестности Могилева, Мстиславля и Кричева. 9 февраля 1564 г. войско, перейдя смоленский рубеж, благополучно вернулось на свою сторону.
Вскоре после поражения под Улой (в апреле 1564 г.) из Юрьева (Дерпта), в Литву, спасаясь от царской немилости, бежал известный русский военачальник, когда-то пользовавшийся особым расположением царя, боярин и воевода князь Андрей Михайлович Курбский, имевший подробную информацию о численности, местах сосредоточения и планах русского командования.
Военные действия, шедшие летом 1564 г., представляли собой обмен ударами на разных направлениях, которые отвлекали силы противника с одного участка фронта на другой. В этих условиях сведения о расположении главных сил московской армии, полученные в Вильне от А. М. Курбского, приобрели исключительно важное значение. Раньше других началось контрнаступление литовских войск в Ливонии. В июне 1564 г. (по псковской летописи в июле) гетман Александр Полубенский напал на «юрьевские волости». В ответ на этот набег юрьевский воевода Михаил Яковлевич Русалка Морозов послал отряд Дмитрия Кропоткина на «немецкие пригороды». В августе псковское ополчение Василия Вишнякова отбило несколько нападений литовских отрядов на порубежные места. В сентябре черниговские воеводы князь Василий Иванович Прозоровский и Фома Иванович Третьяков нанесли поражение пришедшему на Северскую «украину» войску Петра Сапеги. В бою русские ратники «знамя Сапегино взяли». Тогда же большая рать Николая (Миколая) Юрьевича Радзивилла приходила к Полоцку, но после трех недель безуспешной осады заново укрепленного города, отряды противника отступили, «а городу ничего не учинили».
Неудачей закончился предпринятый русскими воеводами поход к находившейся на псковском рубеже литовской крепости Озерище (ныне Езерище, недалеко от одноименного озера), в 56 верстах севернее Витебска. Здесь 26 июля 1564 г. произошло сражение между осаждавшей крепость 13-тысячной русской ратью воеводы Юрия Ивановича Токмакова Ноздроватого и 12-тысячным литовским отрядом витебского воеводы Станислава Паца. Русскому военачальнику удалось отойти, избежав разгрома, но осуществить главную цель похода, взяв стратегически важную литовскую крепость, не удалось.
В поход на Озерище невельские воеводы Ю. И. Токмаков и Федор Борисович Шафер Чеглоков выступили 22 июля и в этот же день осадили крепость. Русское войско состояло из «конных людей и пеших» и из «судовых людей». В то же время летописец отметил, что «наряд» у русских воевод был лишь «лехкий». Осада продолжалась всего 4 дня. Взять город при помощи полевых орудий не удалось. Ожидая прихода из Витебска «литовских людей», Ю. И. Токмаков «все дороги позасек, которые были к Озерищам». Тем не менее войску С. Паца, шедшему на помощь осажденному гарнизону, удалось пройти русские засеки. Токмаков, сняв осаду и отправив «наряд» и пехотные отряды в Невель, с одной лишь конницей атаковал литовцев. Русским воинам удалось смять передовой литовский отряд и захватить в плен 50 неприятельских воинов. Не вступая в бой с подошедшими к Озерищу основными силами литовского войска, конница Токмакова ушла, перед отступлением перебив всех взятых в плен литовцев.
25 июля 1564 г. начался поход в Литву конной рати воеводы Василия Андреевича Бутурлина, выступившей из Смоленска под Мстиславль. Составившие его войско татарские, ногайские и мордовские отряды «воевали мстиславские места и кричевские и радомысльские и могилевские и многих людей побили и в полон взяли». Во время похода было захвачено 4787 полоняников.
Положение России серьезно осложнилось возобновившимися набегами отрядов крымских татар и ногайцев на южное порубежье Московского государства. В связи с этим русское правительство осенью 1564 г. решило заключить перемирие со Швецией, согласившись признать переход под власть короля Эрика XIV Ревеля (Колывани), Пернау (Пернова), Вейсенштейна (Пайде) и некоторых других городов и крепостей на севере бывшей ливонской Эстляндии. Перемирие было подписано в сентябре 1564 г. в Юрьеве Ливонском (Дерпте), вступив в силу 21 ноября того же года.
Нормализация отношений со Швецией позволила русскому командованию усилить натиск на Великое княжество Литовское. Успешно выдержав трехнедельную осаду Полоцка, в сентябре 1564 г. осажденного Григорием Ходкевичем, царские воеводы перешли в наступление. Выступив в октябре 1564 г. из Великих Лук, русское войско осадило пограничную литовскую крепость Озерище и 6 ноября 1564 г. «взяша городок огнем». Во время штурма был захвачен ротмистр Мартын Островецкий. Пленил его «сын боярской юрьевец Карп Иванов сын Жеребятичев».
Вскоре после этого, закрепляя свое присутствие на Полоцкой земле, русские власти начинают возводить на ее западных рубежах новые крепости. В 1566–1567 гг. были построены Козьян, Красный, Ситно, Сокол, Суша, Туровля, Ула и Усвят.
Стремясь укрепить свои позиции в тяжелой войне с Россией, власти Великого княжества Литовского пошли на объединение с Польским королевством. Решение об этом было принято на Люблинском сейме 1 июля 1569 г. Объединение военных потенциалов Литвы и «Коруны Польской» оказало в итоге решающее влияние на исход войны. Однако перелом в ходе боевых действий произошел далеко не сразу. Великое княжество Литовское, все предшествующие годы в одиночку воевавшее с Московским государством, нуждалось в мирной передышке. В июле 1570 г. было заключено трехлетнее перемирие межу Московским государством и Речью Посполитой, по условиям которого за обеими сторонами сохранялись занятые ими территории. Иван Грозный решил воспользоваться этим обстоятельством, чтобы нанести решительный удар по Швеции, где в сентябре 1568 г. был свергнут его союзник Эрик XIV. Новым королем стал младший брат свергнутого государя Юхан III, женатый на сестре польского короля Сигизмунда II Августа Екатерине Ягеллонке. Шведский король разорвал союзный договор с Россией, заключенный его предшественником незадолго в феврале 1567 г. В Стокгольме были ограблены прибывшие на ратификацию договора московские послы. Война между Московским государством и Швецией стала неизбежна. В этих условиях Иван IV решил принять мирные предложения польского короля. В начале июня 1570 г. в Москве было заключено трехлетнее перемирие, позволившее русскому царю перебросить войска к шведскому рубежу.
