Война началась с нападения Русского царства на Ливонию в январе 1558 года. На первом этапе войны русские войска достигли значительных успехов, завоевав Нарву, Дерпт (Юрьев) и целый ряд других городов и замков. В 1561 году по Виленским договорам Ливонская конфедерация была ликвидирована, часть её территории преобразовывалась в вассальное по отношению к Великому княжеству Литовскому герцогство Курляндия и Семигалия, другая же непосредственно вошла в состав Великого княжества Литовского.

С этого времени война приобрела в основном характер противостояния Русского царства и Великого княжества Литовского и велась преимущественно на территории последнего. В 1563 году русские войска взяли Полоцк, но не смогли развить успех, потерпев в следующем году поражение в битве при Чашниках. Вскоре после этого была введена опричина (1565—1572). Перенапряжение сил Великого княжества Литовского в войне с Россией привело к Люблинской унии и его объединению с Королевством Польским в единую Речь Посполитую.

В начале 1570-х годов Россия, несмотря на крупномасштабные походы крымского хана на Москву, установила контроль над почти всей северной Прибалтикой, создав марионеточное Ливонское королевство. Вслед за неудачной осадой Ревеля русскими войсками (1577 год), объединившиеся войска Речи Посполитой и Швеции достигли перелома в войне в в битве под Венденом. Польско-литовские войска под предводительством Стефана Батория начали успешную кампанию, вернув Полоцк и разорив значительные части Северо-Западной Руси, но не сумели взять осаждённый Псков. Шведам удалось вытеснить русские войска из Прибалтики, но неудачная осада Орешка поставила точку в их кампании.

Война закончилась подписанием Ям-Запольского (1582 год) и Плюсского (1583 год) перемирий. Русское царство лишалось всех завоеваний, сделанных в результате войны, а также земель на границе с Речью Посполитой и приморских балтийских городов (Копорья, Яма, Ивангорода). Территория бывшей Ливонской конфедерации оказалась разделена между Речью Посполитой, Швецией и Данией.

В российской исторической науке с XIX века утвердилось представление о войне как о борьбе России за выход к Балтийскому морю. Ряд современных учёных называют иные причины конфликта.

Ливонская война оказала огромное влияние на события в Восточной Европе и внутренние дела вовлечённых государств. В результате неё закончил своё существование Ливонский орден, война способствовала образованию Речи Посполитой, а Русское царство привела к экономическому упадку.