В останні дні 1653 р. московське посольство на чолі з боярином Василем Бутурліним зустрілося з гетьманом, його полковниками та генеральним штабом Війська Запорозького в Переяславі, біля Києва. 18 січня 1654 р. Хмельницький скликав раду козацької верхівки, на який було ухвалено остаточне рішення про перехід України під зверхність царя. Того ж дня було скликано людей на міський майдан, де у своєму виступі гетьман наголосив на потребі України у верхньому володарі, назвав чотирьох потенційних кандидатів на цю роль: польського короля, кримського хана, турецького султана та московського князя - й заявив, що найкращим для нього є православний цар. Задоволений тим, що вибір упав на православного правителя, натовп схвально відгукнувся на промову гетьмана. Тоді Бутурлін, Хмельницький та присутня там козацька старшина ввійшли до міської церкви, щоб скріпити це рішення спільною присягою.
Та несподіваний випадок завів справу у глухий кут. За прийнятою в Польщі традицією Хмельницький сподівався, що присягатимуть обидві сторони, - українці заприсягнуть на вірність цареві, а той пообіцяє боронити їх від поляків та шанувати їхні права й привілеї. Але Бутурлін відмовився присягати від імені свого монарха, кажучи, що на відміну від польського короля цар є самодержцем і не присягає своїм підданим. Роздратований відмовою Бутурліна, Хмельницький гордо вийшов із церкви, погрозивши взагалі скасувати угоду. Проте Бутурлін уперто стояв на своєму. Нарешті, побоюючись втратити підтримку царя через, здавалося б, простісіньку формальність, Хмельницький погодився дати клятву на вірність цареві.
Незабаром після того по 117 містах України було розіслано царських урядників, перед якими 127 тис. люду заприсягли на вірність цареві Олексію Михайловичу та його наступникам. Сповнений драматизму інцидент у переяславській церкві висвітлив відмінність політичних цінностей і традицій, з якими обидві сторони підійшли до укладення угоди. Та попри всі ці розбіжності підписання Переяславської угоди стало поворотним пунктом в історії України, Росії та всієї Східної Європи. Раніше ізольована й відстала Московія зробила гігантський крок уперед на шляху перетворення на велику державу. А доля України стала в усьому - доброму й лихому - невід'ємно пов'язаною з долею Росії.
Через конфлікти, що пізніше виникали між росіянами та українцями, оцінка угоди, яка поєднала їхні країни, була предметом частих суперечок учених. Справа ускладнювалася тим, що оригінальні документи втрачено, збереглися лише неточні копії та переклади. До того ж російський архіваріус Петро Шафранов доводить, що навіть ці копії сфальсифіковано царськими переписувачами. Загалом пропонувалося п'ять основних тлумачень Переяславської угоди. На думку російського історика права Василя Сергєєвича (пом.1910), угода являла собою персональну унію між Московією та Україною, за якою обидві сторони мали спільного монарха, зберігаючи кожна свій окремий уряд. Інший фахівець із російського права Микола Дьяконов (пом.1919) доводив, що, погоджуючись на "особисте підкорення" цареві, українці безумовно погоджувались на поглинення їхніх земель Московським царством, і тому ця угода була "реальною унією". Такі історики, як росіянин Венедикт Мякотін та українець Михайло Грушевський, вважали, що Переяславська угода була формою васальної залежності, за якої сильніша сторона (цар) погоджувався захищати слабшу (українців), не втручаючись у її внутрішні справи; українці ж забов'язувалися сплачувати цареві податки, надавати військову допомогу і т.д. Інший український історик - Вячеслав Липинський - пропонує думку, що угода 1654 р. була не чим іншим, як лише тимчасовим військовим союзом між Московією та Україною.
Останнє тлумачення Переяславської угоди стоїть осібно від інших. У 1954 р. під час пишних святкувань 300-річчя українсько-російського союзу в СРСР було оголошено (щоправда, на вченими, а Комуністичною партією Радянського Союзу), що переяславська угода стала кульмінаційним моментом у віковому прагненні українців та росіян до возз'єднання цих двох народів було основною метою повстання 1648 р. За офіційною радянською теорією, велич Хмельницького полягає в його розумінні, що "порятунок українського народу можливий лише в єдності з великим російським народом". Щоправда, в середині 1960-х років принаймні один радянський учений - Михайло Брайчевський - піддав цей погляд сумніву (що мало катастрофічні наслідки для його кар'єри), однак для всіх радянських учених підтримка партійної інтерпретації угоди лишалася обов'язковою.