14 сентября Поссевино отправился из Старицы в польский лагерь под Псковом. У царя были оставлены иезуиты Дреноцкий и Мориено, которым поручили следить за московскими делами, не раздражать царя и русских, стараться встречаться с приближенными московского князя, беседовать с ними о вере. Эта инструкция оказалась лишней, так как иезуитов держали почти в полной изоляции, и даже письма Поссевино не гда доходили до них.
5 октября Поссевино приехал в польский лагерь под Псковом. Положение поляков к этому времени резко ухудшилось. Стойкая оборона защитников Пскова, отсутствие средств на продолжение длительной осады и внутренние раздоры в польском лагере вызывали недовольство у самих осаждающих. Тем не менее требования Ивана Грозного показались Баторию чрезмерными, и он не захотел вести переговоры на таких условиях.
Поссевино тотчас отправил царю очень красноречивое письмо, в котором положение русских нарисовал самыми мрачными красками: «… в городе <Пскове> очень многие погибают от обстрела королевских пушек, болезней и душевной скорби, подобно тому, как и в деревнях многие испытали на себе меч врага… король Стефан решил зимовать и вести военные действия повсюду в Московии и остальных своих владениях. Кроме того, ои приказал подвезти из Риги большое количество пороха и ядер и вот уже четвертый день ждет пополнения из иностранных солдат…» Поссевино писал также, что шведский король взял Ивангород и Нарву и, следовательно может вторгнуться в пределы Московии. Уступка Ливонии, убеждал иезуит, не будет особенно тяжелой для русской стороны, так как он обещает испросить у польского короля право свободного проезда через ливонские земли послов и купцов.
Вероятно, под влиянием этого письма в наказе своим послам Дмитрию Елецкому «со товарыщи» русский царь выдвинул более умеренные и невыгодные для русских требования: он соглашался передать польской стороне всю Ливонию, оставив за собой Великие Луки, Невель, Заволочье, Холм, псковские пригороды. Послам также было предписано не поднимать вопроса о Нарве.
Поссевино вместе с польскими послами выехал из псковского лагеря в Ям-Запольский, где была назначена встреча послов. Переговоры начались 13 декабря в деревне Киверова Горка в нескольких километрах от Яма-Запольского (между Заволочьем и Порховом) и продолжались больше месяца (до 15 января 1582 года). Поссевино проявлял при этом большую активность: вел все заседания, писал протоколы, обменивался письмами с русским царем, польским королем, канцлером Замойским, кардиналом ди Коме, шведским королем и другими, снимал копии со всех документов. Переговоры шли медленно. Несколько раз польские послы в раздражении на неуступчивость русских уходили с заседаний, заявляя, что больше не вернутся. Поссевино старался примирить враждующие стороны и ускорить ход переговоров. Полякам советовал прекратить осаду Пскова, так как это затруднло перемирие. Говорил о стойкости русских при защите своих крепостей, приводя в пример безуспешную осаду Печерского монастыря войсками Батория. В то же время в письмах к Ивану Грозному он писал о бедственном положении русских.
Такая политика Поссевино вызвала недовольство обеих сторон. Замойский в раздражении говорил о нем: «Такого сварливого человека я не видывал, он хотел бы знать все королевские планы относительно заключения мира с московским царем, он втирался в королевский совет, когда обсуждалась наша инструкция послам. Он готов присягнуть, что великий князь к нему расположен и в угоду ему примет латинскую веру, и я уверен, что эти переговоры кончатся тем, что князь ударит его костылем и прогонит», Русские же послы писали: «А нам, холопам твоим, видетца, что Онтоней во всех делах с литовские послы стоит за один и в приговорах во всяких говорит в королеву сторону и грамоты твои, государевы, послам кажет».
В ходе переговоров обе стороны старались узнать, до каких пределов послам даны полномочия уступать. Поссевино предложил польским послам первым сделать уступки и этим вызвать на откровенность русских. Такой тактический ход продвинул немного вперед переговоры. Поссевино советовал польскому королю выдавать себя за союзника шведского короля Юхана III с тем, чтобы казаться московским послам более серьезным противником. Вопрос о том, включать ли шведского короля в перемирие, долго обсуждался на заседаниях. По совету иезуита, переговоры с Юханом III были на время отложены, при этом Поссевино надеялся, что и для заключения мира со шведами московский царь выберет его своим посредником.
Больше всего споров велось о двух крепостях — Себеже и Велиже. В конце концов Велиж уступили польской стороне, Себеж — русской. В разгар споров о титуле царя в перемирной грамоте (поляки хотели писать Ивана IV не царем, но лишь великим князем) пришло письмо от Замойского из лагеря под Псковом, в котором он писал, что положение поляков очень тяжелое и он не продержится более 8 дней. Именно это повлияло на ход переговоров, и на двадцать первом заседании перемирие было заключено на 10 лет. К Речи Посполитой переходила вся Ливония, за исключением пяти городов, с ливонскими замками, кроме тех, которые были заняты шведами. Таким образом, почти двадцатилетняя война России за выход к Балтийскому морю закончилась тяжелым для русских Ям- Запольским перемирием. Поссевино интересовала лишь окончательная цель переговоров: заключение перемирия; он стремился казаться миротворцем с тем, чтобы облегчить достижение главной цели посольства: привлечь русского царя к антиосманской лиге и подчинить его апостольскому престолу.
14 февраля Поссевино приехал в Москву. Однако Иван IV по-прежнему уклонялся от обсуждения религиозных вопросов. Поссевино добился лишь разрешения на публичные диспуты о вере, состоявшиеся 21, 23 февраля и 4 марта. Результатом миссии Поссевино было лишь то, что русский царь снарядил посольство в Рим во главе с Яковом Молвяниновым, которое должно было передать папе грамоту с общими словами о любви и братстве.
Посольство Поссевино вместе с посольством Молвянинова прибыло 13 сентября и оставалось там до 16 октября. Переговоры с папой показали, что вопрос о крестовом походе против турок решить не удается. 4 декабря 1582 года русское посольство вместе с Поссевино прибыло в Варшаву.
С 1582 года и до смерти Батория в 1586 году Поссевино находится в основном в Польше, исполняя обязанности главного инспектора католических семинарий, возложенные на него папой, и получая ежемесячный пенсион в 100 экю.
В конце 1582 — начале 1583 года Поссевино жил в Венгрии, где заканчивал и редактировал свои трактаты «Московия», «Ливония» и «Трансильвания».
Возвратившись из Венгрии в Краков, Поссевино почти неотлучно ходился при польском короле. Баторий, несмотря на Ям-Запольское перемирие, начал подготовку к войне с Россией, надеясь успешным завершение ем войны на востоке укрепить свои позиции в Речи Посполитой. Имея сильную оппозицию в лице литовских магнатов и влиятельной группы Зборовских, Баторий рассчитывал на помощь папского престола. Поссевино оказался весьма деятельным и усердным помощником польского короля, осуществляя связь с Римом и добиваясь предоставления денежных субсидий Баторию для войны с Россией. Иезуит изобрел даже предлог для нарушения перемирия: истощенная длительной войной Россия постоянно находится под угрозой захвата турками и татарами. Поляки должны прийти на помощ своим славянским братьям для защиты от ислама. В письме к Замойскому Поссевино говорит о своей готовности принять участие в этой войне: «Старый солдат Пскова всегда готов встать под знамена прежнего капитана».
Поссевино удалось войти в полное доверие к польскому королю, который не переставал его хвалить в письмах к папе, кардиналу Фарнезе, Клавдию Аквавиве и др. При этом Поссевино не забывал о проекте объединений церквей в юго-западных областях России. Он установил тесные связи с князем Константином Острожским, посвятив его в свой проект унии, и даже предложил ему созвать в Остроге нечто вроде собора, который выработал бы план объединения церквей. Иезуит использовал типографию в Остроге для издания книг на славянских языках. Однако столь активная деятельности Поссевиио в Речи Посполитой вызвала недовольство как поляков, в частности Замойского, опасавшегося слишком сильного влияния Поссевино на короля, так и самой римской курии, рассчитывавшей опереться в поход против турок на объединенные силы польского и русского государств.
После смерти в 1585 году папы Григория XIII генерал иезуитского ордена назначил Поссевино помощником провинциала в Речи Посполитой. В начале 1586 года Поссевино вместе с племянником польского короля Андреем Баторием отправился в Рим, где ему удалось выхлопотать у папы Сикста V субсидию в 25 тысяч скуди для завоевания Московии. Только неожиданная смерть Стефана Батория помешала началу военных действий.
