В ноябре 1560 года Вишневецкий вернулся в Москву. По одной из версий, в российскую столицу он прибыл из Поднепровья, куда его отряд совершил поход с Тамани. По пути казаки уже по традиции громили улусы Крымского ханства.
Примерно в это же время принималось решение о женитьбе российского царя на «из черкас пятигорских девице» Марии Темрюковне и ставшей второй супругой Ивана IV.
Весной 1561 года Вишневецкий получил предписание вместе со своим отрядом «каневских черкас» следовать на Днепр, где «недружбу делати царю Крымскому и королю Литовскому».
Отношения России с польско-литовским государством по мере разрастания Ливонской войны стремительно обострялись и князю предстояло выступить против своего бывшего сюзерена. Причём боевые действия против Литвы ему поручалось вести в хорошо известном Среднем Поднепровье.
В этот же период произошло самое загадочное событие в отношениях русского монарха и Вишневецкого.
В июле царю донесли, что его подданный отбыл с тремя сотнями казаков во владения польско-литовского короля Сигизмунда II Августа.
Дискуссия о причинах, заставивших Вишневецкого переметнуться продолжаются и по сей день.
Но бесспорным фактом является совпадение отказа князя от московской службы с решением Ивана IV свернуть активные действия на причерноморском направлении. То есть царя русско-литовский князь оставил при тех же условиях, что и когда-то литовского монарха.
Сигизмунд II восстановил за князем Вишневецким все ранее изъятые у него родовые земли, однако в списках высших должностных лиц княжества его имя уже не упоминалось.
Не удалось Вишневецкому возродить и своё былое военно-политическое влияние в Поднепровье. Значительную часть его дружинников разослали на службу по гарнизонам Прибалтики.
Иван Грозный публично проявлял интерес к судьбе князя-перебежчика.
Направляя в июле 1563 года к польско-литовскому монарху своего посла Андрея Клобукова, царь помимо передачи дипломатической почты требовал «проведывати… про князя Дмитрея Вишневетцкого: как приехал на королевское имя, и король что жалование ему дал ли, и живет при короле ли, и в какой версте держит его у себя король».
Такое осведомление о судьбе грозы крымцев и османов можно считать формой поддержкой Вишневецкого. Иван Васильевич как бы подталкивал польско-литовского монарха к тому, чтобы пожаловать князю милости, сопоставимые с царскими. Иначе Сигизмунд II рисковал предстать в глазах аристократии менее щедрым и благородным, нежели Иван IV.