Чтобы успокоить народные волнения, Хмельницкий позволил идти в казаки любому. В то же время он убеждал Москву в необходимости взять Украину «под высокую руку» московского государя и вести совместные действия против Польши. Только в феврале 1651 г. Земский Собор дал на это принципиальное согласие. Успешнее проходили переговоры с Турцией: султан дал приказ крымскому хану всеми силами помогать Хмельницкому как вассалу Османской империи.
Весной 1651 г. военные действия возобновились. Накануне этого в личной жизни Хмельницкого произошла очередная драма: его вторая жена Елена была уличена в сношениях с поляками и супружеской измене, и он приказал сыну Тимофею повесить ее. 19 июня польские и казацкие войска сошлись под Берестечком (Волынь). И опять в самый разгар боя хан вышел из него, обнажив свой участок фронта. Хмельницкий сам погнался за ханом, надеясь его остановить. Но тот задержал его в своей ставке под Вишневцем и продержал до конца июля. Между тем казаки 10 дней под командой полковника Ивана Богуна оборонялись в укрепленном лагере. Но в ночь на 29 июня Богун со старшиной и частью казаков тайно, через болото, ушел. Утром в лагере началась паника, оставшиеся люди бросились бежать кто куда, погибая в болоте. Поляки только завершили разгром, после чего двинулись в Украину, давая волю мести. В то же время гетман литовский Радзивилл занял Киев.
В конце июля вернулся Хмельницкий и остановился в местечке Паволочь. К нему стали стекаться полковники с остатками своих полков. Народ волновался, обвиняя гетмана и в поражении, и в потакании полякам, и в союзе с татарами. Пошли даже разговоры, чтобы избрать нового гетмана. С большим трудом Хмельницкому удалось изменить положение и успокоить народ. Тогда же более тесными стали связи с Москвой, но медлительность царя заставила гетмана выступить с угрозой, что если царь не примет его под свою руку, то казаки поневоле пойдут с поляками и крымцами на Московское государство. И еще одно событие произошло в те дни: к удивлению многих, Хмельницкий вновь женился. Его женой стала Анна Золотаренко, вдова корсунского полковника.
Подождав полтора месяца помощи из Москвы и не получив ее, Хмельницкий 18 сентября 1651 г. подписал с поляками Белоцерковский мир. Реестр сокращался в 2 раза, и казаки теперь могли жить лишь в пределах Киевского воеводства. Это вызвало новое восстание в Украине. Гетмана всюду стали называть изменником, продавшим полякам Украину и заботящимся только о старшине. Переселение в пределы Московского государства стало массовым.
Польский сейм отказался утверждать Белоцерковский мир, считая, что и 20-тысячный казацкий реестр слишком велик. Вновь запахло войной. Весной 1652 г. Хмельницкий отправил сына Тимофея с отрядом в Молдавию, чтобы женить его на дочери молдавского господаря. Этот брак давал ему возможность породниться с гетманом литовским Радзивиллом, женатым на сестре невесты Тимофея, и основать династию. Сам же Хмельницкий с главными силами двинулся следом. Польный гетман Калиновский загородил Тимофею путь. Хмельницкий тогда направил главные силы и 22 мая при урочище Батог произошло сражение. Польское войско (20 тыс. человек) был разгромлено, погиб и Калиновский. Брак Тимофея оказался недолгим. Уже в следующем году, защищая своего тестя в усобной войне, он умер от гангрены после полученного ранения. Весной 1653 г. поляки вторглись в Подолье. Осенью на берегу Днестра под Жванцем произошло последнее крупное сражение в этой войне. Положение поляков из-за холодов и нехватки продовольствия было тяжелым, но окончательная победа ускользнула из рук Хмельницкого: вновь изменили татары. Хан тайно заключил с поляками договор на условиях единовременной выплаты 100 тыс. червонцев и ежегодных выплат на основании Зборовского мира. Кроме того, на обратном пути в Крым татары могли разорять Украину и брать сколько угодно пленников в течение 40 дней. Заключив такой договор, хан пригрозил Хмельницкому ударить в тыл казакам, если они не прекратят боевых действий. Тот не отважился на борьбу на два фронта. 16 декабря поляки ушли. Понимая невозможность продолжать в одиночку борьбу, Хмельницкий с войском вернулся в Чигирин. Он вновь обратился в Москву и стал настойчиво просить царя принять его в подданство.