По дороге в Швецию Поссевино остановился в Вильно, где встретилс с польским королем Стефаном Баторием. Здесь же состоялся его диспут с кальвинистом Андреем Воланом. Под влиянием аргументов иезуита Баторий приказал Волану уничтожить свое сочинение.
Поссевино посетил также баварского герцога Альбрехта, императора Рудольфа II и позаботился об устройстве для шведов отделений при католических коллегиях в Ольмюце и Браунсберге.
В 1579 году иезуит прибыл в Швецию, на этот раз в платье своего ордена. Узнав о том, что Рим не позволил мирянам принимать причастие по обоими видами, а священникам — вступать в брак и совершать богослужение на родном языке, Юхан III отказаться от плана воссоединения шведской церкви с католической. Несмотря на все старания Поссевино король своего решения не изменил, и иезуит вернулся в Рим (1580).
В Риме Поссевино принял русское посольство Шевригина (24 февраля 1581 года). Посольство Иоанна Грозного прибыло к Григорию XIII с просьбой выступить посредником между Москвой и Стефаном Баторием.
Папская курия направила Поссевино в Московию, преследуя свою цель — в ходе переговоров привлечь Ивана IV к антиосманской лиге и таким образом приблизить его к папскому двору, затем постепенно обратить русского царя в католичество и подготовить почву для полного окатоличивания России. Перед отъездом Поссевино познакомился с доступными ему материалами о России: книгами Герберштейна, Гваньини, Кобенцеля, Джовио, Кампензе, письмами и инструкциями пап Льва X, Климента VII, Пия V и Григория XIII, стремившихся завязать дипломатические связи с Россией.
27 марта 1581 года вместе с русскими послами Поссевино выехал из Рима. Остановившись в Венеции, иезуит вел переговоры о вовлечении Венецианской республики в антитурецкую лигу и о возможных торговых отношениях Венеции с Россией. В Австрии, Богемии, Речи Посполитой Поссевино вошел в положение дел и регулярно отсылал донесения в Рим. В Граце (Штирия) дипломат встречался с Кобенцелем, побывавшим в России в качестве посла императора Максимилиана, и имел с ним продолжительную беседу о положении дел в России.
13 июня Поссевино прибыл в Вильно к польскому королю. Баторий сначала без энтузиазма принял посредничество иезуита, считая, что переговоры дадут передышку «московиту» и позволят ему стянуть новые силы в западные области. Но Поссевино увлек Батория картиной той исторической роли, которую ему будет суждено сыграть: заключив мир с Иваном IV, Баторий подготовит почву для объединения восточной и западной церкви и будет содействовать распространению католичества в северных и восточных областях. Этим же он обеспечит себе поддержку папского престола.
3 июля Поссевино вместе с канцлером Яном Замойским прибыл в Диену. Здесь, как и в Вильно, иезуит старался использовать свое влияние на короля, постоянно беседуя с ним и почти ежедневно произнося проповеди. Поссевино добился у короля разрешения конфисковать в пользу иезуитской Коллегии, основанной в Вильно в 1579 году, часть имений, принадлежавших ранее русской церкви.
18 августа Поссевино приехал в Старицу, где в это время находился Иван IV. Посланник вручил царю письма папы и императора Рудольфа, а также подарки и письма к царице и царевичам. Иезуит узнал условия Ивана IV: царь отдает Полоцк с пригородами, Луки, Заволочье, себе же требует 36 замков в Ливонии, в их числе Нарву с пригородами. Поссевино при этом были показаны некоторые документы из архивов, подтверждавшие права русских на Ливонию. Папский дипломат пробыл в Старице около месяца. Иван Грозный несколько раз принимал его, и каждый раз Поссевино пытался начать разговор с ним о вере и объединении церквей, от чего царь упорно уклонялся.
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.