Смерть Александра (1506) открыла Зыгмунту (Сигизмунду), младшему из пяти сыновей Казимира Ягеллончика, путь к королевскому трону. Он унаследовал от своего предшественника нерешенные как внешнеполитические, так и внутренние проблемы.
Сигизмунд решился на прямые переговоры с Габсбургом, в результате которых император Максимилиан поддержал польскую позицию в споре с Тевтонским орденом. В результате войны с Орденом был подписан трактат (1525 г.), закрепляющий вассальную зависимость Прусского княжества от Польши.
После гибели короля Чехии и Венгрии Людовика в 1526 г. вспыхнул конфликт за венгерскую корону – между Фердинандом Габсбургом и Яношем Запойяи. Король Сигизмунд I, как и его преемник Сигизмунд Август, понимая, что Польша недостаточно сильна, чтобы противостоять туркам и Габсбургам, придерживался мирной политики сохранения равновесия в Центральной Европе.

В то время, когда в своей политике Польское королевство маневрировало между Габсбургами и Турцией, Великое княжество Литовское было втянуто в войны с Великим княжеством Московским. Войско Великого княжества Литовского и Польского королевства одержало блестящую победу под Оршой, но Литве не удалось вернуть Смоленск. Затяжные бои закончились перемирием, по которому Россия сохранила свои завоевания.
При Сигизмунде Старом к Польше была присоединена Мазовия, бывшая с XIV в. вассалом польских королей.
Большое внимание Сигизмунд I уделял финансам королевства.
В 1529 г. был избран, а затем коронован королевской короной 10-летний сын Сигизмунда I Сигизмунд Август. Это избрание и коронация при здравствующем короле вызвали со стороны шляхты резкую критику. Но это не помешало юному монарху уже в 1544 г. принять бразды правления в Литве, а после смерти отца (1548 г.) сосредоточить в своих руках всю полноту власти.
Сигизмунд Август давно помышлял о расширении владений Ягеллонов на Балтике, и потому вмешался в спор за Ливонию. В 1558 г. на земли Ливонского ордена напали войска Ивана IV. В 1561 г. Ливония добровольна перешла под власть Сигизмунда Августа, после чего Польша приступила к военным действиям. Война продолжалась до 1570 г., когда было подписано польско-русское перемирие. Каждая из сторон осталась при своем.
В 1569 г. была заключена Люблинская уния. В акте унии говорится: «Польское королевство и Великое княжество Литовское есть один единый и неделимый организм, а также не разная, но единая общая Речь Посполитая». С тех пор Польшу и Великое княжество Литовское будут объединять: совместные выборы монарха, один сейм, долг совместной защиты границ, общая внешняя политика, та же денежная система, единая таможенная система. Одновременно сохранялись независимые учреждения, начиная с министерств и ниже, отдельные армии, казна и правовая система.
Люблинская уния образовала многонациональную Речь Посполитую, состоявшую из двух равноправных членов - Польши и Великого княжества Литовского, а прочность этого союза подтвердили два последующих столетия общей истории.
При двух последних Ягеллона в Польшу стала проникать реформация. Королевская власть в начале издавала эдикты против реформации. Но они не имели действительной силы в государстве, законы которого, например о запрете ареста без судебного приговора и неприкосновенности собственности, защищали граждан от произвола властей. Считаясь с мнением сейма, Сигизмунд Август обнародовал в 1570 г. документ, в котором говорилось, что вопросы вероисповедания не входят в компетенцию монарха. Веротерпимость имела долгую традицию в Польше, где в течение многих веков жили вместе католики, православные, евреи, армяне и татары. Благодаря этому Речь Посполитая не разделила судьбы других европейских стран, переживших религиозные войны.
Благодаря экономическому и культурному расцвету Польши при двух последних королях из династии Ягеллонов, период их правления был назван золотым веком. Завоевания в Ливонии, вассальная зависимость прусского и курляндского правителей укрепили позиции государства в бассейне Балтийского моря, а политика поддержания хороших отношений с Турцией обеспечила мир на южной границе. Лишь войны с Россией привели к уменьшению территории Великого княжества Литовского – этот вооруженный конфликт не угаснет и в последующих столетиях.
Золотой век принес народам, населявшим Королевство и Литву, важные перемены. Великое княжество Литовское из родовой вотчины превратилось в полноправный с Польшей член Речи Посполитой. Унификация устройства во всей монархии обеспечила шляхетскому сословия, независимо от национальной принадлежности – польской, литовской или русской, - одинаковые права и обязанности по отношению к государству.
Смерть последнего Ягеллона, который, хотя и был трижды женат, не дождался наследника, повергла народ в скорбь. Несмотря на споры, общество было сильно привязано к династии. Ощущалась также обеспокоенность судьбой монархии при выборных королях.