Ливонию подвели пути сообщения. Пока послы добирались до русской столицы через псковские и тверские леса, ситуация на ливонском фронте резко изменилась. 11 мая неожиданно для всех пала Нарва. Пользуясь обострением обстановки, жители Нарвы и Ивангорода с марта 1558 года стали стрелять друг в друга через реку Нарову, сначала из пищалей и аркебуз, а потом дело дошло до пушек. Ивангородцы пожаловались царю, и тот приказал бомбардировать Нарву из тяжелых орудий.
Нарвские купцы решили спасать торговлю и в апреле послали гонцов в Москву и Брюссель, где находился Филипп II, муж английской королевы Марии. Они просили покровительства. Но Брюссель был далеко, а Москва куда ближе. Иван Грозный воспринял обращение жителей Нарвы (по-русски ее называли Ругодивом) как просьбу о переходе в русское подданство: «И царь и великий князь ругодивцов ратманов и посадников и бурмистров и полатников и всю землю Ливонскую пожаловал, взял в свое имя и на том дал жалованную грамоту, как быть им в государевом жаловании, а Яким и Захар (Иоаким Крумгаузен и Арндт фон Деден) за всю землю ругодивскую государю крест целовали, что им служить государю и город сдать, и иного государя не искать помимо царя и великого князя».
Проблема заключалась в том, что городские власти Нарвы воспринимали происходящее по-другому и не считали, что Нарва вошла в состав России. Внутри города возник раскол: одни предлагали договариваться с московитами, другие — звать на помощь орден. Негативную роль сыграла и сложная организация власти в Ливонии: городское управление было за союз с Москвой, а орденские власти — против. В Нарве был замок с войсками, подчинявшимися орденскому фогту, который слышать не хотел ни о каких соглашениях с русскими. В апреле на защиту Нарвы прибыл отряд ревельского командора Зеегафена, присланный орденским коадъютором Готтардом Кеттлером.
11 мая в Нарве вспыхнул пожар. Позже была сочинена красивая легенда, что немец-протестант бросил в костер православную икону, а она ответила потоком огня и подожгла город. Увидев, что «наша Нарва» загорелась, жители Ивангорода кинулись переправляться через Нарову на подручных плавсредствах, даже на сорванных с петель дверях. В самой Нарве творилось невесть что. Горожане в ужасе метались по улицам в клубах дыма и огня, пытались спастись в городском рву. Кнехты Зеегафена, решив, что враг наступает, построились в боевой порядок на городской площади, немного постояли в дыму и, не дождавшись врага, вернулись в замок.
Русские без сопротивления взяли город, окружили замок и открыли по нему орудийный огонь. Немцы пытались отстреливаться с орудийной башни «Длинный Герман», но в спешке плохо зарядили орудие, и оно взорвалось, разметав всю артиллерийскую площадку. К Нарве на выручку подошел отряд Г. Кеттлера, но он остановился неподалеку и не стал ничего предпринимать.
Зеегафен провел ревизию ресурсов для обороны замка и нашел три бочки пива, немного ржаной муки, вволю сала и масла и пороху на полчаса стрельбы. Пришлось сдавать замок. Русские не настаивали на сдаче в плен и беспрепятственно выпустили из замка отряд кнехтов с оружием. С отрядом ушли горожане, не пожелавшие оставаться в занятом русскими городе.
Падение Нарвы резко изменило ход войны. «Юрьевская дань» стала Ивану IV более неинтересна: оказывается, можно ее брать не деньгами, а городами. Когда ливонская делегация с «юрьевской данью» наконец прибыла в Москву после взятия Нарвы, то денег у нее не взяли. Послам ответили, что царь уже довольно получает в Ливонии. Послы особо не настаивали, чтобы избежать объяснений, как 60 тысяч талеров по мере передачи денег от городов к магистру и от магистра к послам каким-то непостижимым образом превратились в 40 тысяч. По возвращении в Ливонию эти деньги присвоил магистр, сказав, что средства все равно были собраны на нужды ордена…
Взятие Нарвы стало символом для обеих сторон конфликта. В Россию торжественно перенесли найденные на пожаре неопалимые иконы (потом образы Богородицы и Святого Николая хранились в нарвской церкви) и объявили, что падение города было чудом, Божьей волей. В Европе стали утверждать, что Нарва — источник богатства и экономического процветания русских. Кеттлер писал императору Священной Римской империи: «Нарва, которой владеют русские, это — глаз Ливонии, и ее необходимо отвоевать, ибо без Нарвы русские, лишившиеся главной опоры, не страшны». Француз Губерт Ланге писал Кальвину 26 августа 1558 года: Иван IV взял Нарву, самую удобную гавань на Балтийском море. Русский царь не успокоится, пока не упрочит свое могущество. «Если в Европе чье-либо могущество должно возвеличиваться, это будет Россия».
В июле 1558 года русская армия вторично вошла в Ливонию. Она двигалась тем же маршрутом — от границы под Нейгаузеном вдоль западного побережья Чудского озера в направлении местности Оденпе. Но теперь, кроме деревень, русские осаждали и брали города: Кирримпе, Дерпт, Ковлет, Ранден, Конгот, Ринген, Нейшлосс, Везенберг. Историк В. Пенской справедливо назвал летний поход 1558 года «Потопом» — по известной библейской аналогии. К концу августа русские контролировали земли Одинпе, Вирланд и Аллентакен и развернули наступление на Летляндию (направление Венден — Шванебург), Гарриен и Вик (окрестности Ревеля и Вейсенштейна).
Осенью орден смог нанести несколько контрударов, отбить Ринген и осадить новую столицу «Русской Ливонии» — Дерпт, переименованный в Юрьев. Ливонцы показали, что они способны к сопротивлению и их рано списывать со счетов. Тем не менее итоги военной кампании 1558 года были однозначны: гибель Ливонии была вопросом времени, причем ближайшего. Надо было решать, как делить Прибалтику и кто в этом будет участвовать.