У цей момент Хмельницький, який втратив в одній із битв старшого сина, зважився на кардинальну зміну зовнішньої політики: він зробив ставку на православного московського царя, а не на кримського хана чи турецького султана. У січні 1654 року козацька рада в Переяславі ухвалила союз із Московією. Цар Олексій Михайлович брав Гетьманат під свою опіку, визнавав владу гетьмана в Україні і погоджувався на збільшення козацького реєстру до шістдесяти тисяч. Єдине обмеження гетьманської влади, встановлене угодою 1654 року, стосувалося зовнішньої політики: гетьман мав повідомляти царю про зв’язки з іншими державами. Через кілька десятиліть наступники Хмельницького вважатимуть цю угоду золотою хартією козацьких вольностей. Сам Хмельницький, мабуть, вважав переяславські статті тактичним союзом і тимчасовим обмеженням своєї влади. Цей крок виправдовувало те, що цар одразу відправив проти поляків московське військо.
У перший рік союзу росіяни захопили Вільно, а козаки повернулися під стіни Львова. Очевидно, ставка Хмельницького зіграла. Але московсько-козацькі стосунки зіпсувалися, коли цар вирішив укласти мир з поляками. Скориставшись перемогою царської і козацької армій над поляками, шведський король Карл Х атакував Річ Посполиту з півночі. Щоб не допустити гіпотетичного краху польської держави, Олексій Михайлович домовився з поляками про мир, лишивши Хмельницького у програші. Гетьман продовжив війну з поляками, уклавши союз з протестантським правителем Трансильванії Ференцом Ракочі і головним ворогом царя Карлом Х. На момент смерті Хмельницького в 1657 році козацько-московський союз фактично не діяв44.