К Хитрово подошли казаки Золотаренко из Быхова, подтягивалась вся армия царя и Черкасского. От Минска повернули на Вильно. Для обороны столицы Литвы Радзивилл и Гонсевский собрали 20 тыс. воинов. Но город был плохо укреплен, никто никогда не думал, что русские доберутся сюда! А горожане перепугались осады и бомбардировки, началось брожение. Бежавший из плена Григорий Петров докладывал, что «мещане виленские приговаривали… город сдать и государевых бояр и воевод встретить с образы и с хлебом от города за 10 верст, потому что им против государевых людей сидеть в городе не в силу».
Радзивилл рассудил, что в таких условиях защищать Вильно будет трудновато. Единственным выходом представлялось не подпускать русских к столице. Он выбрал удобную позицию на левом берегу реки Вилии, приказал строить укрепленный лагерь. Писал королю, умолял о подкреплениях. Но особой надежды на выручку из Польши не питал, одновременно послал делегацию в Ригу, просил помощь у шведов. Однако русские наступали стремительно. В июле вокруг литовского лагеря стали рыскать разъезды казаков и детей боярских. А за ними пылили по дорогам полки.
Виленский епископ вступил в переговоры. Но сразу стало ясно, что это всего лишь хитрость, литовцы увиливали от любых конкретных условий. 29 июля русская армия атаковала лагерь Радзивилла. Его воины стойко отбивались, сражение длилось «от шестого часа дни до ночи». Но натиск не ослабевал, русские утюжили оборону из пушек, повторяли атаки и, наконец, вломились вовнутрь укреплений. Неприятели стали откатываться по мосту на другой берег Вилии. Для прикрытия оставили на верную смерть немецкую пехоту. Ее перебили полностью, но она спасла остатки войска. Когда русские прорвались к переправе, литовцы подожгли мост и оторвались от преследования.
Вильно не осмелился сопротивляться, открыл ворота. Только в городском замке заперся пан Жеромский с отрядом, и его пришлось штурмовать «жестокими приступы». 31 июля замок взяли, в столицу Литвы торжественно въехал Алексей Михайлович. У Радзивилла осталось меньше 5 тыс. человек, он отступал поспешно, уже без боев. А части Черкасского, двигаясь за ним, занимали города – Ковно, Гродно. Казаки Золотаренко переправились за Неман «промышлять под городом Брестом».
Южнее наступала армия Трубецкого. Она осадила Старый Быхов, но овладеть этой твердыней опять не получилось. Гарнизон упорно держался, русские месяц простояли под стенами. Подошли малороссийские казаки, попытались еще раз штурмовать город, но опять неудачно. Походный атаман Иван Золотаренко сложил здесь свою голову. А Трубецкой решил больше не задерживаться. Блокировал Старый Быхов заслонами, а сам выступил на запад. Губернатор Слуцка Петерсон как раз и пытался воспользоваться осадой Старого Быхова, собирал шляхту, наемников. Узнав, что русские двинулись на него, заметался, 28 августа вывел войско навстречу, но его смели мощным натиском, «тех литовских людей и немцев побили многих и секли до города».