Venäjän liittyminen sotaan Puolaa vastaan ei tuonut nopeaa voittoa ja kasakkavaltion ja Venäjän välille syntyi nopeasti kiistoja itsehallinnon rajoista ja valloitettujen alueiden hallinnasta. Pohjan sodan sytyttyä vuonna 1655 H’melnytskyi menetti luottamuksensa Venäjän haluun sotia Ukrainan puolesta ja hän alkoi harkita liittoutumista Venäjän ja Puolan yhteisten vihollisten, erityisesti Ruotsin kanssa. Hän kävi salaista kirjeenvaihtoa Ruotsin kuningas Kaarle X Kustaan kanssa, mutta tämä ei ehtinyt johtaa mihinkään ennen H’melnytskyin kuolemaa elokuussa 1657. Huhujen mukaan turkkilaiset olisivat myrkyttäneet hänet. Hänet haudattiin rakennuttamaansa Pyhän Elian kirkkoon Subotiviin.