В 1578 году Поссевино вернулся в Рим, чтобы добиться скорейшего ответа на требования шведского короля. Папская комиссия нашла возможным удовлетворить пять важнейших пунктов. Поссевино был отправлен обратно к Юхану III, будучи назначенным его папским нунцием в Швеции и апостольским викарием для Руси, Ливонии, Венгрии, Померании и Саксонии. Ему также было поручено разузнать о положении дел в Московии.
По дороге в Швецию Поссевино остановился в Вильно, где встретился с польским королем Стефаном Баторием.
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. Но Юхан III отказался 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.
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 Дисну. 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, куда прибыл 5 октября. 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. 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 для 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 и псковские пригороды. Послам также было предписано не поднимать вопроса о Нарве.