В это время внешнеполитический курс России был нацелен на решение трёх задач: присоединение западнорусских земель, обеспечение выхода к Балтийскому и Чёрному морям, а также достижение безопасности южных границ от набегов крымского хана.
Война началась в период "бескоролевья" в Речи Посполитой. После смерти Зигмунда III в 1632 его сын Владислав не успел ещё утвердиться на престоле, и в Москве решили, что наступил благоприятный момент для реванша за поражение в войне 1609—1618 годов, когда были потеряны Смоленск и Северщина.
В Европе в это время бушевала Тридцатилетняя война. Польша входила в коалицию католических государств во главе с Габсбургами. В этой ситуации естественным союзником России стала ярая противница Габсбургов — протестантская Швеция. Вступление в войну России устраняло для шведов, сражавшихся в это время в Германии, угрозу войны на два фронта. Заключению более прочного союза между странами помешала смерть шведского короля Густава II Адольфа (1632). Россия вступила в войну в одиночестве.
В июне 1632 года, не дожидаясь нескольких месяцев до окончания срока действия Деулинского перемирия, русское правительство решило начать войну. 20.06.1632 состоялся Земский собор, на котором была объявлена война.
Для сбора армии русскому правительству пришлось более чем вдвое сократить численность войск на южных рубежах. Этим не замедлил воспользоваться крымский хан. 20 тыс. крымских татар разорили Мценский, Новосильский, Орловский, Карачевский, Ливенский и Елецкий уезды.
Русское правительство долго не могло решиться на активные действия. Только 9 августа воевода Михаил Шеин получил приказ выдвинуться из Москвы в Можайск. Войска собирались в трёх пунктах. В Можайске собирался Большой полк Шеина; во Ржеве формировался Передовой полк князя Семёна Прозоровского и Ивана Кондырева; в Калуге собирался Сторожевой полк стольника Богдана Нагого. Большой полк должен был выдвинуться из Можайска на Дорогобуж и далее на Смоленск. Полки князя Прозоровского и Богдана Нагого должны были взять крепость Белую и другие города и крепости и соединиться с полком Шеина под Смоленском.
По плану численность армии должна была составить 32 тыс. человек, однако такой численности достичь не удалось и в армии воеводы насчитывалось около 24 тыс. человек, включая 3463 наёмников из Голландии, Шотландии, Швеции, Германии и Англии. Наёмники были разделены на четыре полка под командой полковников Александра Лесли, Ганса Фридриха Фукса, Якова Карла Хареслебена и Томаса Сандерсона. Значительную часть армии составляли полки нового строя. Это были шесть солдатских и один рейтарский полки, общей численностью 9978 человек.
10 октября воевода Шеин получил приказ выдвинуться в Вязьму. 12 октября калужский отряд князя Ивана Гагарина взял Серпейск. Лишь 18 октября отряд Фёдора Сухотина овладел Дорогобужем, лежавшим на пути к Смоленску. Князь Прозоровский овладел крепостью Белой. 20 октября воевода Шеин выступил из Вязьмы на Смоленск. Осенние дожди и распутица затрудняли продвижение войск с тяжёлыми "нарядами" и обширным обозом. Самое тяжёлое орудие пришлось до весны оставить в Вязьме. В ноябре—декабре 1632 русские войска на флангах действовали весьма успешно, овладев Невелем, Рославлем, Новгородом-Северским, Стародубом, Почепом, Себежем, Трубчевском и Суражем.
5.12.1632 армия Михаила Шеина собралась под Смоленском. Шеин осадил город по всем правилам военного искусства, а русская артиллерия, установленная в укреплённых острогах, наносила крепости ощутимый урон. Однако для того, чтобы взорвать стену перед решительным штурмом, не хватило пороха, и Шеину пришлось долго ждать подвоза боеприпасов. За это время поляки успели заделать повреждения в стенах и башнях, а также насыпать за стенами земляные валы.
26.05.1633 удалось взорвать часть стены, однако штурм бреши оказался неудачным, как и повторный штурм 10 июня. Сказывалась острая нехватка пороха, который поставлялся под Смоленск крайне скудно и медленно. Растянувшись по всему периметру города и охраняя тяжёлые орудия в острогах, русские войска утратили мобильность. Таким образом, когда к Смоленску в августе подступила 30-тыс. армия короля Владислава, войско Шеина оказалось в крайне затруднительном положении и было вынуждено отдать инициативу неприятелю.
Атаки польских войск на русские укрепления были поначалу малоэффективными и сопровождались крупными потерями. Однако со временем польское численное превосходство, подкреплённое вылазками гарнизона, начало сказываться. Долго и героически оборонялся от поляков расположенный на Покровской горе полк Юрия Матейсона. Когда полк настолько поредел, что защита холма стала бесперспективной, Шеину удалось совершить искусный манёвр и вывести с Покровской горы всех оставшихся там солдат с пушками. Шеин и далее предпринял действия по консолидации своей армии, сняв группировку Прозоровского с западной стороны города. Причиной этого отступления стали дезертирства в русском стане западных наёмников, которых подкупом переманивал на свою сторону Владислав.
Тем временем, на северо-западном направлении отряд из Невеля, состоявший из псковичей, новгородцев и великолучан под предводительством Григория Радецкого совершил в июне опустошительный рейд на Полоцк, разорив посад и Нижний замок и уведя с собой значительное количество пленных. По причине немногочисленности отряда, ему не удалось взять Верхний замок и укрепиться в городе.
К этому времени положение русской армии значительно осложнилось. В июне 5-тыс. войско запорожских казаков, выступивших на стороне поляков под предводительством полковника Якова Острянина, смогло взять и разорить город Валуйки, а после этого осадить город Белгород. Польская армия князя Иеремии Вишневецкого осадила Путивль. Русские воеводы, князья Гагарин и Усов, смогли организовать оборону и все атаки были отбиты, но Вишневецкому удалось сделать несколько разорительных рейдов по сопредельным волостям.
В середине июня 20-30 тыс. войско крымских татар под командой Мубарек-Гирея вошли на Русь по Изюмскому шляху. Это нападение стало результатом договорённостей, достигнутых посольством короля Владислава. Татары разорили Московский, Оболенский, Серпуховский, Тарусский, Алексинский, Калужский, Каширский, Коломенский, Зарайский, Рязанский, Пронский, Белёвский, Болховской и Ливенский уезды. Русскому правительству удалось организовать большой поход против татар, в августе года ногайские улусы подверглись разорению, и Мубарек-Гирей поспешил вернуться в Крым. Однако это успело сказаться на смоленской армии. Многие дворяне и дети боярские, чьи имения располагались вблизи "южных украин", самовольно покинули войско Шеина, чтобы защитить свои владения.
В войсках Шеина сложилась катастрофическая ситуация. Началось массовое дезертирство. Солдаты наёмных полков начали покидать позиции и уходить в польский лагерь. Из-под Смоленска разъехались дворяне, чьи поместья и вотчины подверглись татарскому разорению, а их матери, и жены, и дети попали в полон. Правительство пыталось воспрепятствовать этому, вводя жёсткие меры, но ничего не помогло: дворяне не желали выходить на службу, казаки и часть солдат сбивались в отряды, неподконтрольные воеводе, и возвращались домой.
28.08.1633 король пошёл на штурм русских позиций. Главный удар был направлен на Покровскую гору, где оборона была самой слабой. Шанцы на горе занимал солдатский полк полковника Юрия Матейсона, который выдержал все атаки польско-литовских войск. Оборону прорвать не удалось, и король отступил, но сумел передать в гарнизон города немного припасов.
11 и 12 сентября королевская армия вновь пыталась взять Покровскую гору. Полк Матейсона вновь отбил все атаки, но 13 сентября воевода Шеин приказал оставить позиции. 18 сентября главный удар королевской армии был направлен на юго-западные позиции русской армии. Здесь сражался солдатский полк Генриха фон Дама. Хотя все атаки были отбиты, 19 сентября воевода Шеин приказал оставить и эту позицию. Сильно поредевшие войска воеводы не могли удерживать широкий фронт, который занимала осадная армия. На северо-западе находился полк наёмников полковника Якова Карла Хареслебена. 19 сентября солдаты этого полка вышли из этого шанца и вместе со своим предводителем убежали, отчасти в лагерь Леского (польского воеводы), отчасти в большой лагерь Шеина.
20 сентября главные бои разгорелись на юго-востоке. Здесь князь Прозоровский, после получения приказа об отходе, с трудом пробился в лагерь Шеина, сумев разбить сильный отряд противника.
На южном театре военных действий отряд под командованием Фёдора Бутурлина выступил из Путивля к Миргороду, большой острог которого был взят штурмом 30.09.1633. Небольшой части гарнизона удалось отсидеться в "малом острожке". В ходе рейдов были сожжены остроги Борзны, Батурина, Полтавы, Ичня.
Осада Смоленска практически закончилась, Шеин занял оборону в своем лагере, приказав рыть новые окопы, так как не хотел бросить осадную артиллерию. 9 октября армия короля заняла село Жаворонки, перекрыв Московскую дорогу и окружив армию Шеина. Прикрывавшие Жаворонкову гору полк наёмников полковника Томаса Сандерсона и солдатский полк полковника Тобиаса Унзена, атакованные гусарами, с большими потерями отступили в лагерь Шеина. Полного разгрома этих полков удалось избежать только благодаря решительным действиям солдатского полка Александра Лесли, прикрывшего отход.
Осаждённая армия Шеина страдала от болезней, нехватки продовольствия и дров. В конце ноября русские попытались сделать вылазку из осаждённого лагеря, но эта затея провалилась. На военном совете 2 декабря Александр Лесли обвинил в этом провале полковника Сандерсона, заявил о его измене и застрелил полковника на глазах воеводы Шеина.
В январе 1634 по инициативе короля Владислава начались переговоры. 14.02.1634 воевода Шеин капитулировал, добившись права вернуться в Москву, сохранив знамёна, 12 полевых орудий, "холодное оружие и мушкеты с зарядами", но оставив неприятелю всю осадную артиллерию и лагерное имущество. Узнав про условия договора, князь Прозоровский попытался взорвать наряд и пороховые запасы, но воевода Шеин не позволил князю этого сделать. Половина оставшихся наёмников после капитуляции перешла на службу к полякам. Всего с воеводой Шеиным из-под Смоленска ушло 8 тыс. человек. Ещё 2 тыс. больных и раненных остались в лагере на излечении. По условиям соглашения, после выздоровления они должны были вернуться в Россию.
В Москве поражение восприняли очень болезненно. Воевода Михаил Шеин был обвинён в государственной измене и вместе со своим помощником окольничьим Артемием Измайловым и его сыном Василием казнён в Москве 28.04.1634.
Несмотря на успех под Смоленском, королю не удалось развить наступление. Путь на Москву прикрывала 10-тыс. русская армия во главе с князьями Дмитрием Черкасским и Дмитрием Пожарским. Провалилась попытка вернуть крепость Белую. Русский гарнизон в тысячу человек отбил все атаки польско-литовской армии. Важную роль сыграла также оборона Севска на южном направлении, задержавшая идущее в подкрепление королю 12-тыс. войско во главе с Иеремией Вишневецким и Лукашем Жолкевским.
Опыт этой войны сказался на дальнейшем развитии русской армии, поскольку самыми боеспособными частями оказались полки нового строя. В дальнейшем правительство продолжило формирование этих полков, одновременно отказавшись от наёмников.
Смоленская война также показала невозможность решения крупных военно-политических задач на западе без обеспечения должной обороны южных уездов. Поэтому уже в 1635 для защиты южных границ от крымских татар и ногайцев начались работы по сооружению новой оборонительной линии — Белгородской черты.