康熙二十四年（1685年）四月，都統彭春、郎談、黑龍江將軍薩布素等分率滿、蒙、漢等官兵三千餘人自黑龍江城（今瑗琿）和卜魁城（今齊齊哈爾），水旱兩路向雅克薩進發。五月二十二日，彭春率部抵達雅克薩城下，立即向俄方發出谘文，要求其撤出雅克薩，歸還逃人，以雅庫（今俄羅斯雅庫次克）為界，遭到俄方拒絕。次日清軍列陣，包圍雅克薩城。二十五日，一隊增援雅克薩的俄軍自黑龍江順流而下，被清軍將領林興珠率福建藤牌兵攔於江西。一場激戰，斃傷俄軍四十餘人。隨即，清軍架設“神威無敵大將軍”炮，向雅克薩城猛烈轟擊，同時水陸並進，四麵圍攻。經過一晝夜激戰，俄軍傷亡慘重，城內到處起火。二十六日，郎談命積柴焚城。俄國雅克薩督軍托爾布津走投無路，隻得出城投降，並發誓不再回雅克薩城。清軍準其投降。派人將托爾布津及其手下官兵、眷屬等七百餘人送到額爾古納河河口，收複了被俄軍侵占達20年的雅克薩城。不久，清軍撤回黑龍江城。
托爾布津等殘兵敗將回到尼布楚後，仍不死心。正項拜頓率領六百名哥薩克援兵也到達尼布楚，又探得清軍全部撤退，並未留兵駐防的消息，遂率領五百餘名俄軍返回雅克薩，加築工事，重新盤踞。康熙二十五年（1686年）五月，薩布素、郎談、班達爾沙等奉命率領清軍2100餘人會師於查克丹，再次進兵雅克薩。命俄俘鄂克索木果帶信入城警告俄軍，如不立即撤出，必將其全部殲滅。是時，盤踞城中的俄國侵略軍共有800餘人，他們憑借充足的火器裝備、彈藥糧草和堅固的城防工事負隅頑抗，並自城中頻繁出擊，不讓清軍炮位和攻城器械逼近城牆。薩布素率領清軍將士在當地各族人民的協助下，屢次擊敗出城挑戰的俄軍。六月初九日夜，薩布素下令向雅克薩城發起進攻。自夜到晨，重創俄軍，數日之內斃敵100餘人，托爾布津也中炮斃命，由拜頓繼任其職。但是，由於清軍除擁有少量大炮外，士兵作戰主要依靠刀矛弓箭，殺傷力較小，對攻堅戰尤為不利，故未能迅速拿下雅克薩城，戰事一時陷入僵持狀態。薩布素等為避免犧牲過大，停止強攻，於城外東、南、北三麵挖掘長壕，修築堡壘，又於城西江南布置水師，封鎖來自尼布楚方向的援兵航道，對城中俄軍進行長期圍困。由於城中無井，通常依靠通向黑龍江的水道引來水源。清軍經過四晝夜激戰，切斷了城中水源。數月之後，城中飲水、糧食、彈藥皆已告罄，加之疾疫流行，800多名俄軍隻剩下66人，尼布楚方麵也無力派來援軍，困守雅克薩的俄國侵略者已經瀕臨絕境。
盡管清方在軍事上取得重大進展，但為求得邊界上持久的和平，仍然不斷謀求與沙俄進行談判。此時的俄國，正值彼得一世之姐索菲亞公主執政，統權極不穩固，不可能再派大批軍隊前來中國，眼看困在雅克薩的俄軍將被全殲，遂決定接受清政府的建議，派出以戈洛文為全權代表的談判使團與清朝進行邊界談判。該年十月，俄國信使文紐科夫和法沃羅夫等到達北京，呈遞沙皇給康熙帝的書信，要求清政府停止攻打雅克薩，等待戈洛文一行到達後進行談判。清政府以禮接待了俄國信使，並在雅克薩城唾手可得的情況下同意了俄國的請求，命令薩布素等撤雅克薩之圍，又派太醫赴雅克薩為患病俄軍治療，且發糧賑濟，保住了坐困城中坐以待斃的俄國人性命。次年七月，清政府聞知戈洛文使團抵達邊境，遂命薩布素等率部返回黑龍江、墨爾根（今嫩江）等地駐守。至此，曆時兩年之久的第二次雅克薩之戰正式結束。
《尼布楚條約》
第一次雅克薩之戰後，沙俄見僅靠武裝入侵難以實現其對中國進行侵略擴張的目的，遂改變策略，企圖以軍事侵略和外交談判交替使用，迫使清政府就範。康熙二十五年（1686年）正月，沙皇政府任命戈洛文為對清談判使團全權大使，率使團於正月十三日自莫斯科起程來華。康熙二十六年（1687年）八月，戈洛文一行到達貝加爾湖東岸。
戈洛文一行在貝加爾湖東岸一帶停留了兩年時間。因此時清軍已然撤消雅克薩之圍，戈洛文就不急於與清方談判。他一麵窺探清政府的意圖；一麵竭力鼓動中國喀爾喀蒙古各部脫離清朝，臣服於俄國。遭到喀爾喀蒙古領袖土謝圖汗和哲布尊丹巴的堅決拒絕。戈洛文見挑拔離間難以奏效，又企圖以武力逼蒙古各部屈服。是年冬，戈洛文誣陷蒙古人民偷盜俄軍牛羊馬匹，命俄軍闖入蒙古牧區進行燒殺搶掠，俄國侵略者的暴行遭到喀爾喀蒙古人民的堅決反擊。十二月，蒙古軍民在楚庫柏興（今色楞格斯克）一帶打敗俄軍，迫使戈洛文等躲在城中不敢出來。康熙二十七年（1688年）六月，正當喀爾喀蒙古各部抗俄鬥爭取得一係列勝利之際，準噶爾部首領噶爾丹以“為弟報仇”為借口大舉入侵喀爾喀蒙古。喀爾喀各部相繼戰敗，土謝圖汗和哲布尊丹巴等率數十萬眾南歸，要求清政府予以保護。戈洛文見有機可乘，遂與噶爾丹相勾結，派俄軍分路出擊，逼迫喀爾喀各部歸順俄國。由於喀爾喀蒙古人民的堅決反對，戈洛文一夥的陰謀未能得逞。