沙俄政权在战争受挫后，虽然提出通过谈判解决黑龙江流域问题，但并不想轻易放弃侵占这一地区的势力。1686年1月，沙皇在发给戈洛文的训令中指出：一、俄中两国应力争以黑龙江为界；如果中方不同意，则争取以牛满河（今俄罗斯联邦境内布列亚河）、精奇里江（今俄罗斯联邦境内结雅河）及其以西的黑龙江为界；如中方再不同意，则争取以雅克萨为界，俄国人得在黑龙江、牛满河、精奇里江渔猎。二、如中方不接受上述划界方案，则俄国使臣应争取缔结临时停战协定，然后做好准备，进行战争。同时又指出，为了达到这一目的，大使应不惜赠送任何礼物，向中国使臣行贿。这一训令表明，当时俄国政府的基本方针是企图通过外交谈判取得黑龙江以北的全部或一部分中国领土；如果在谈判桌上达不到目的，就准备再次诉诸武力，以求在东北地区获得最大的战略利益。
而清廷对黑龙江流域的领土及主权观念极为明确。1688年，康熙帝任命领侍卫内大臣索额图为全权大臣，与俄使议界。康熙帝指出，俄罗斯占据的尼布楚是中国茂明安部游牧的地方，雅克萨是中国达斡尔族居住的土地。该地区土地自古就归属中国。
中俄两国经准备后，商定于1688年在色楞格斯克进行谈判。这年5月30日，中国使团从北京出发，前往色楞格斯克，7月下旬行抵克鲁伦河附近，因漠西蒙古准噶尔部的葛尔丹进犯喀尔喀蒙古，道路阻隔，无法通行，索额图使团不得不折回北京。随后清廷又与俄国代表商定，将谈判改为1689年在尼布楚举行。
在此期间，沙皇考虑了当时的形势，感到坚持吞并黑龙江流域，必然遭到清廷的拒绝，甚至强烈反击。为了避免冲突，并争取同中国达成贸易协定，将沙俄在中国东北地区的利益最大化，俄国政府认为可以暂时放弃对黑龙江流域的侵略要求。沙皇于1689年初训令戈洛文，让他在中国坚持要俄国交出雅克萨时，毁掉那里的城防，撤退俄国居民。但为了给俄国以后侵占黑龙江流域留有余地，让戈洛文要求中国也不要在雅克萨设防。
清政府为了能够早日和平解决黑龙江流域问题，也打算做出更大的让步。1689年6月13日，清朝索额图使团自北京启程，出古北口北行，清廷使团的近万名护卫队和大批后勤人员浩浩荡荡，行程六千里，于7月31日到达尼布楚，在石勒喀河南岸扎营。使团成员有：领侍卫内大臣索额图、都统一等公佟国纲、都统郎谈、都统班达尔善、黑龙江将军萨布素、护军统领玛喇、理藩院侍郎温达，翻译是耶稣会士法国人张诚、葡萄牙人徐日升。
俄国戈洛文使团于1686年2月从莫斯科出发，1687年9月到达贝加尔湖东岸，在那里停留了两年之久，1689年8月19日才到达尼布楚。使团成员有：御前大臣戈洛文、伊拉托木斯克总督符拉索夫、秘书科尔尼茨基。
中俄双方经过一段时间准备，议定于8月22日开始正式会谈。22日拂晓，准备了三年之久的中俄谈判终于开始了。双方进入会场的使臣、官员各四十名，卫队各二百六十人。缺乏外交谈判经验的中国使团怀着诚挚的态度，以为谈判会很快结束，估计十几天便可签约。而老谋深算、巧言善辩的戈洛文，却利用中国使团急于求成的心理，大肆玩弄外交手段，怀揣四个方案，傲慢无理地讨价还价，妄图谋取更大的利益。中国使团的两个传教士译员也极力为俄国效劳。
戈洛文在第一天的会谈中抛出第一个方案：“应以阿穆尔河（即黑龙江）一直到海为两国边界。阿穆尔河左岸属沙皇陛下方面，右岸属博克多汉殿下（即康熙）方面。”索额图态度鲜明，断然拒绝了这个荒谬的方案，指出：里雅那河（即勒拿河）原系我疆界，黑龙江流域的贝加尔湖以东从来就是中国的领土，因而提出以勒拿河和贝加尔湖作为中俄国界。他正告对方，中国皇帝“并未谕令中国使团向沙皇俄国割让一寸领土，同样也没有令他们去侵占沙俄领土”。双方激烈争辩，夜幕降临时才休会。
第二次会谈，仍无成果。戈洛文出尔反尔，谈判陷入了僵局。中国使团担心谈判落空，千里迢迢而来却徒劳而返。正在这时，尼布楚当地各族人民掀起了轰轰烈烈的抗俄斗争，大批群众扶老携幼，携带帐篷赶着牲口，聚集在尼布楚下游，盼望祖国来人接应他们。面对风云突变的形势，戈洛文不得不改变策略，终于抛出了俄军撤出雅克萨的划界方案，谈判才得以继续下去。索额图行前曾上奏康熙帝，认为“尼布楚、雅克萨两地当归我国”。康熙帝则指示索额图“尼布楚归我国，则俄罗斯贸易无所栖止，可以额尔古纳河为界”。可见清廷还是充分照顾到了俄国人民的利益，索额图也是本着这个精神与戈洛文谈判的。
双方交换条约草案后，又经过激烈辩论，中俄两国终于在1689年9月7日（清康熙二十八年七月二十四日）签订了《中俄尼布楚条约》，条约包括《中俄尼布楚议界条约》和《黑龙江界约》两大部分。
条约共六款：
1.从黑龙江支流格尔必齐河到外兴安岭直到海，岭南属于中国，岭北属于俄罗斯。西以额尔古纳河为界，南属中国，北属俄国，额尔古纳河南岸之黑里勒克河口诸房舍，应悉迁移于北岸；
2.雅克萨地方属于中国，拆毁雅克萨城，俄人迁回俄境。两国猎户人等不得擅自越境，否则捕拿问罪。十数人以上集体越境须报闻两国皇帝，依罪处以死刑；
3.此约订定以前所有一切事情，永作罢论。自两国永好已定之日起，事后有逃亡者，各不收纳，并应械系遣还；
4.双方在对方国家的侨民“悉听如旧”；
5.两国人带有往来文票（护照）的，允许其边境贸易；
6.和好已定，两国永敦睦谊，自来边境一切争执永予废除，倘各严守约章，争端无自而起。
该条约明确规定中俄两国东段边界以外兴安岭（即斯塔诺夫山脉）至海、格尔必齐河和额尔古纳河为界，凡岭南一带土地和流入黑龙江的河川，全属中国；以北一带土地及河流，全属俄国。
乌第河流域划为待议地区，留待以后再议。俄国事实上承认侵略中国黑龙江地区为非法，同意把侵入这一地区的沙俄军队撤回本国。沙俄通过《尼布楚条约》把原属中国的贝加尔湖以东尼布楚一带地方纳入其版图，并获得重大的通商利益。条约的全部条款及交涉过程都清楚地表明，这个条约是经过平等谈判、中国政府作了让步的结果。
中俄《尼布楚条约》肯定了黑龙江和乌苏里江流域包括库页岛在内的广大地区都是中国的领土，它遏止了俄国向东方的侵略扩张。现在，中方一般给予《尼布楚条约》正面评论，认为该条约是两个主权国家的正常边界条约，是平等条约。
但也有人认为，中国在该条约中放弃了从额尔古纳河到贝加尔湖的领土，该条约实际上不利于中国，所以《尼布楚条约》应算中国近代史上第一个不平等条约。外兴安岭附近地区自古就是中华民族东北少数民族的聚居地，自唐朝以来，辽朝、金朝、元朝、明朝都对该地区实施了有效统治，明朝还在该地区设立奴尔干都司进行管辖。而俄罗斯最初只是一个莫斯科公国，其主要领土在欧洲，外兴安岭附近离俄罗斯本土相距一万公里还远，清初的时候，俄罗斯一些匪徒才流窜到外兴安岭附近殖民。而此时清朝正是处于“康乾盛世”时期，此时的俄罗斯彼得大帝才刚刚实行改革，一个处于盛世的国家，在家门口打一个远道而来的侵略者，却要死伤数千士兵才攻下只有几百沙俄匪徒占据的雅克萨城。以当时清朝的国力，本应能够将沙俄侵略者逐出国门，但是最终却割让领土（贝加尔湖以东原属中国的尼布楚土地）才最终达成协议，于情于理似乎解释不通。
实际上，清廷让步的主要原因有两点：
一、清军武器落后，清军虽然在入关前就已经开始熟练使用葡萄牙形制的红衣大炮，但少数民族崇尚骑射的风俗在入关后并没有改变。反而在历代皇帝的反复倡导下有了愈演愈烈的趋势。特别是当时的东北地区，火炮数量严重不足。而且作为主要步兵武器的“鸟枪”，清朝在当时已经落后于西方。因此绝大多数手持大刀、长矛和弓箭的清军在对抗沙俄侵略者的凶猛炮火时死伤惨重。
二、清朝入关不及两代，而且刚刚平定三藩，经历了一场历时八年的国内战争。同时，漠西蒙古的葛尔丹也对中原虎视眈眈。在全国统治尚不稳固的情况下，清廷不愿与沙俄再进行一场消耗战。所以在有限让步的情况下，签订了《尼布楚条约》，以此换来了边界较长时期的和平稳定。