В условиях непрекращавшихся войн с крымскими татарами и Турцией правительство не имело возможности оказывать действенную помощь русскому населению Даурии, поэтому, воспользовавшись формальным обращением императора Канси 1685 г. к царю о необходимости размежевания границ, решило добиться заключения мирного договора с Поднебесной империей. 25 декабря 1685 г. тридцатипятилетний Ф. А. Головин был назначен великим и полномочным послом в Китай с титулом наместника Брянского; одновременно он был переведен из младших стольников в ближние. Вторым послом был утвержден нерчинский воевода, стольник и наместник Елатомский И. А. Власов, третьим – дьяк Семен Корицкий. И. А. Власов и С. Корицкий ранее не один год служили в Сибири и хорошо ориентировались в тамошней обстановке. К посольству была приписана небольшая свита из пяти молодых дворян и трех подьячих. Переводчиком с латыни, видимо по настоянию посла, стал его давнишний домашний учитель А. Белобоцкий. Узнав о такой «милости», служилый иноземец сбежал со своего двора, и приставы Посольского приказа четверо суток разыскивали его по Москве. Для охраны посольства было выделено 506 стрельцов.
Д. Н. Бантыш-Каменский трактовал назначение Ф. А. Головина как своего рода опалу со стороны главы Посольского приказа В. В. Голицына, вызванную приверженностью к царю Петру. Однако скорее всего при определении штата посольства фаворит царевны Софьи руководствовался прежде всего деловыми качествами, а не личным благорасположением. Обычаи и нормы китайской дипломатии в Москве не были известны, это требовало от посла больших организаторских способностей, находчивости и инициативы. В виду сложности обстановки на границе Ф. А. Головин был наделен не только дипломатическими, но и чрезвычайно широкими административными функциями. В верительной грамоте предписывалось установить границу по Амуру до его притоков Буреи и Зеи, добиться включения в договор статьи о взаимной и беспрепятственной торговле. В крайнем случае, для достижения мира посол должен был соглашаться на границу по Албазину, т. е. пойти на территориальные уступки Китаю. В случае срыва подписания мирного договора Ф. А. Головину предписывалось позаботиться об отражении неприятельского вторжения. Посол должен был усмирить взбунтовавшиеся туземные племена и восстановить мирные отношения с монгольскими ханами (тайшами).
В конце мая на 23 дощаниках посольство двинулось вниз по Иртышу, далее по притоку Оби Кети до Маковского острога, потом сушей до Енисейска. В Рыбном остроге на Ангаре из-за порчи снастей посольство было вынуждено остановиться на зимовку. 15 мая 1687 г. «с превеликою тяжестию» выступили по Ангаре. Даже стрельцы были посажены за весла. 8 июня путники достигли Братского острога, а 17 июля на подводах прибыли в Иркутск. Даже при благоприятных обстоятельствах в условиях бездорожья, необжитости громадных пространств Сибири подобные путешествия были сопряжены с огромными трудностями, лишениями и жертвами. Путь к месту назначения занял 21 месяц.
Между тем маньчжуры спровоцировали выступление монгольских (мунгальских) ханов против России и под предлогом обеспечения безопасности своих послов перенесли переговоры на 1689 г. В январе 1688 г. Очирой-Сайн-хан, снаряженный китайцами «пушками и мелким огненным ружьем», потребовал передать в свое подданство прибайкальских ясачных людей, осадил Селенгинск и Удинск. В сентябре двухтысячный отряд Ф. А. Головина отогнал монголов от Удинска и на реке Хилоке разбил войско тайшей, обезопасив русский тыл со стороны Забайкалья. 200 монголов было убито и 1 200 юрт приведено в подданство.
Укрепив Удинск, весной 1689 г. Ф. А. Головин переехал в Нерчинск. Туда из Посольского приказа были доставлены новые инструкции, свидетельствовавшие, что правительство начинало, наконец, реально оценивать всю сложность создавшегося в приграничье с Китаем положения. Последняя ступень уступок, на которые было разрешено соглашаться Ф. А. Головину, это – разрушение Албазина, но с сохранением русских промыслов в Даурии. По настоянию китайской стороны местом для переговоров был избран Нерчинск. 20 июля 1689 г. цинские послы прибыли к городу на 76 больших, вооруженных пушками, судах. Одновременно с флотом подошла и сухопутная армия. Общая численность китайских войск достигала 15 тысяч человек, в то время как в подчинении Ф. А. Головина в Даурии было всего 2,5—3 тысячи человек.
Цинская династия была заинтересована в мирном договоре для обеспечения своего тыла в ожидавшейся войне с Монголией. Неудачи в действиях против мелких русских гарнизонов грозили придать конфликту затяжной характер, что ухудшило бы и без того незавидное финансовое положение правительства. Важность предстоящих переговоров обусловила как согласие Канси на проведение их вне территории империи, так и высокий состав делегации. Первым послом был назначен начальник гвардии князь Сонготу, вторым – дядя императора князь Тунгуеган (Киу-Кису), третьим – вельможа Лантань (Ламт), руководивший боевыми действиями против Албазина в 1685—1687 гг.