俄罗斯摆脱蒙古统治后，于十六世纪形成统一国家，到伊凡雷帝时代开始向东扩张，半个世纪后吞并了几乎整个西伯利亚。1638年，沙皇在勒拿河成立雅库茨克督军府，作为向东扩张的指挥中心，继而进入黑龙江流域，占领黑龙江上游的尼布楚城，俄称涅尔琴斯克，并继续向东深入。
俄罗斯在黑龙江流域大肆扩张之时，正值中原明清鼎革之际，中原王朝无暇顾及遥远的东北边陲。但是尼布楚和雅克萨地区是清朝的龙兴之地，也是满清在中原一旦不能立足时的最后容身之所，俄罗斯的侵略行径使满清政府感到非常紧张。所以虽然中原战事正酣，清朝仍然竭力组织力量反击俄罗斯的侵略。双方因此爆发了一系列战斗。
1652年3月24日，中俄两军在乌扎拉村爆发了第一次战斗。两千清军骑兵夜袭哈巴罗夫率领的两百多名哥萨克，结果却被打得大败。此战俄军十人死亡，二十八人受伤；清军阵亡六百七十六人，除被夺走了一些大炮外，还被夺走三眼统十七支、旗八面、马八百三十匹，另外还有不少人被俘。战后哈巴罗夫被调回莫斯科，沙皇封他为贵族，并被任命为勒拿河沿岸乡村总管 成了俄罗斯民族英雄，原中国领土伯力被命名为哈巴罗夫斯克，的他的塑像至今矗立在那里。哈巴罗夫离开后，由斯捷潘诺夫接替他指挥黑龙江地区的哥萨克。
远东的富庶吸引着贪婪的哥萨克，他们相信，黑龙江地区到处是黄金，遍地是宝石，黑貂在家门前跑来跑去，一些农民和猎人也加入了去远东寻找财富的热潮，斯捷潘诺夫手下很快聚集起了五百多人，他们在那里抢夺粮食、收缴貂皮、征收贡物、修筑堡垒。
1654年秋天，斯捷潘诺夫准备在黑龙江南岸的呼马尔寨过冬，俄人称此处为卡马尔斯克。在尼布楚修筑了涅尔琴斯克堡的哥萨克百人队长彼得•别克托夫是个修筑堡垒的专家，俄国西伯利亚军政长官帕什科夫派他带领一支五十四人的队伍前来支援斯捷潘诺夫。他们得到情报，清军正在集结兵力准备进攻他们，于是他们就加紧在此处修筑城堡，名为卡马尔斯克堡。他们于1654年10月2日动工，此时的西伯利亚已经很寒冷了，不久后更是暴雪纷飞，行动艰难。可是这些哥萨克们没有停工，他们冒着风雪严寒继续施工。
据俄方资料《外贝加尔边区纪行》记载：卡马尔斯克堡规模不大，周围有四方形土墙，土墙四角筑有凸出的炮垒，形制上类似欧洲的文艺复兴棱堡。沿着土墙以及在炮垒的前面筑有两道木栅墙。在两道木墙中间塞大粒沙土。城堡的周围挖了一条两俄丈宽、一俄丈深的壕沟。在壕沟附近的地里，到处埋有铁制的尖鋭箭头，上面薄薄地撒上一层松土，哥萨克称之为“种蒜”。这种“蒜”就是他们在上次战斗中缴获的大量清军箭簇。
堡里建有一座很高的炮垒，上面架有大炮。堡中间挖了一口水井，井口装有流水管道通向四方，以便发生火灾时手边有水可供急用。
1655年3月13日，清朝顺治帝派遣轻车都尉明安达礼率兵抵达呼玛尔斯克堡，并将其围困。俄方记载是这支围城部队有一万多人，带有十五门大炮，以及许多火枪。
攻城之前，清军按中国传统做法，先礼后兵，对城堡里的俄国人进行劝降，许以他们金钱和女人，但哥萨克们拒绝了。在此以前，二十名外出伐木的哥萨克撞上了清军，因而被抓获。城堡里的俄国人拒绝投降后，清军把这二十个人在城下砍成了碎块，但以凶悍著称的哥萨克们并没有被吓倒，反而因被激怒而斗志更旺，有八十五名哥萨克打开城门冲出去与清军展开肉搏。但他们很快陷入重围，而且因远离城堡，得不到城火力支援，最后全部被打死。
哥萨克的凶猛和悍不畏死让清军也非常忌惮，他们判断，只有用火力封锁或以大量兵力猛攻才可能夺下卡马尔斯克堡，于是清军从城堡的不同方向展开围攻。
据俄方记载，清军在黑龙江的的另一岸，在距城堡二百俄丈远的一座四十俄丈高的山上也架起了几门炮。此外，还筑两个炮垒，一个距堡七十俄丈，另一个距堡一百丈。
3月20日，清军各炮垒开始齐射，炮击持续了整整一昼夜。但俄方认为“他们的射击非常不准，只不过发出一阵无用的轰鸣。”
从十七世纪开始，清军大炮射击不准的问题一直没能解决，直到十九世纪的第二次鸦片战争中，清军火炮仍然无法准确命中目标。在八里桥战役中，英法联军记载清军投入火炮很多，仅被缴获的就有二十门，这些大炮发射了许多炮弹却无一命中。
在卡马尔斯克堡战役发生的十七世纪中叶，清军与俄军火炮性能差距还不大，射击不准的原因主要是科学知识落后。清军炮手不懂几何学，更不知弹道学为何物，连坐标概念都没有，只能朝一个方向进行概略射击，射击精度可想而知。
清军看到这样围攻收效甚小，于是准备用兵力直接登城突击夺下卡马尔斯克堡。3月24日夜间清军架设云梯发起猛攻。哥萨克在三门铜炮的火力支援下拼死抵抗，他们从城墙上和胸墙上以铜炮和火枪集中火力还击，清军的进攻受到压制。趁清军进攻受阻之际，哥萨克派敢死队冲出堡垒，实施反击，激烈的白刃战持续了一整夜。到拂晓，清军因损失惨重，不得不后撤并退出战斗。此后清军采取围困策略，试图将城堡里的哥萨克消耗至弹尽粮绝，可是后来，首先陷入补给危机的是清军自己。
据《外贝加尔边区纪行》记载：“他们在距堡三百五十俄丈远的空地上集结扎营，只是偶尔以令人恐怖的枪炮射击来发泄自己的愤恨。他们时常向堡里发射一些系有字条的箭，但是俄国人不懂得弯弯曲曲写的是什么，只当作一种奇异的东西拣起来，并沒有回答他们，而是准备对新的进攻给予回击。最后，中国人看到委婉动听的词藻也帮不了什么忙，于是就沉寂下来了，并于4月4日完全撤围。”
清军撤退前把俄国人停泊在岸边的船只全部摧毁，这场从3月13日开始的战役持续了三周，俄方有107人被打死，清军伤亡不详，但从清军被俄方缴获的大量武器来看，人员损失不会很少。清军最终没能攻克卡马尔斯克堡。清朝史料《平定罗刹方略》是这样记载的：“攻其城，颇有斩获，旋以饷匮班师”。就是说撤退的原因是粮饷不济，无法再打下去了，但还是有斩获的。
然而俄国人对清军的撤退感到不可思议，斯杰潘诺夫甚至认为是上帝显灵，他给上级报告中说，“博格德人看见上帝降凡，因此感到恐怖和战栗啊！”“博格德人”是俄国对清朝的称谓。
俄国人在总结这场战役时说：“然而，中国人的装备是满不错的，他们除有十五门炮以外，还有许多火绳枪。而且他们还带来了一些装满火药的袋子，它们排列在一起约十五至二十俄丈长，不知他们想用这种弹药干什么。他们还有装在另外一些袋子里和箱子里的弹药。在几辆双轮车上装满了攻城用的梯子，梯子上端安有铁钩，下端装有轮子，车上还装有钩竿、干柴焦油、干草以及其他易燃物品。所有这些东西都成了他们的累赘，有的他们扔掉了，有的被缴获了。俄国人把缴获的以及后来在堡里堡外收集起来的炮弹凑在一起总共有七百三十发，共中有的每发重一俄磅，有的还要更重一些。”
斯捷潘诺夫将清军射进城堡里的字条随同自己的报告送至雅库茨克，而将缴获的火绳枪選至莫斯科。
战斗中有一些清军被俘，其中两名志愿信奉了俄罗斯东正教，后来他们也被送往雅库茨克。
从俄军的记载来看，清军当时装备的热兵器数量并不少，而且那时的八旗兵勇猛彪悍，作战意志坚定，之所以在占据绝对优势的情况下没能攻克卡马尔斯克堡的原因，应该还是战法落后，以及热兵器运用水平不如俄军。
参加这次战斗的哥萨克们后来把战斗经过编成了一首民谣，在黑龙江流域的哥萨克中间广为传唱。
清军这次进攻虽然失败了，但并没有放弃对沙俄的驱逐。驻防宁古塔的清朝名将、骧蓝旗固山额真沙尔虎达于1658年7月11日， 率 1400人乘坐四十五条战船包围卡马尔斯克堡 ，在黑龙江和松花江的汇流处与斯捷潘诺夫爆发激战，打死哥萨克270人，斯捷潘诺夫战死，卡马尔斯克堡被攻克。
1660年，沙尔虎达的儿子，宁古塔昂邦章京巴海在黑龙江下游的古法坛村率部设伏，围歼一队残余的哥萨克，据《清实录》记载：“贼弃舟登岸败走，斩首六十余级，淹死者甚众。获妇女四十七口，并火炮、盔甲、器械等物。招抚费牙喀部落一十五村，一百二十余户”。至此斯捷潘诺夫所部基本被消灭了。
