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  16世紀時,俄國統治者使用了一個彰顯力量的、獨裁的頭銜——沙皇(Tsar),由拉丁文Caesar(凱撒)的西里爾轉寫(類似德語的Kaiser),一個原先用於羅馬帝國皇帝的稱呼。莫斯科大公試圖強調他是一個與羅馬或拜占庭皇帝擁有同等地位的統治者。事實上,在伊凡三世與最後一個拜佔廷公主索菲婭·帕列奧羅格成婚後,莫斯科朝廷經常以第三羅馬自矜,大肆引入拜佔廷的詞彙、禮儀、官員頭銜和標誌(如雙頭鷹),以致最後拜占庭雙頭鷹竟變成了俄羅斯國徽。  起初,凱撒頭銜僅為統治者冗長頭銜的一部分,但在伊凡四世統治時期(1533-1584)就搖身一變,變成至高無上的專制君主的意思。被加冕沙皇因此至少被俄羅斯正教會承認為皇帝。東正教牧首普斯科夫的斐洛菲斯便宣告「從1453年君士坦丁堡陷落的那一刻起,俄羅斯沙皇是羅馬與拜占庭帝國唯一的合法繼承者,莫斯科是『第三個羅馬』。」這個信念成為了隨後幾個世紀俄羅斯人的共識。

  沙皇獨裁權力的發展在伊凡四世在位時期達到了顛峰。伊凡四世也以雷帝(他的俄語稱號"groznyi",意為“令人懼怕”)的稱號廣為人知。  伊凡將沙皇的地位強化到一種空前的程度,也展示出了沒有約束的權力在一個精神不穩定的人手裡有多大的風險。雖然伊凡很聰慧而精力充沛,他卻飽受妄想和抑鬱症發作的困擾,而且在統治期間也常有極端暴力的舉動。  1533年,伊凡四世成為莫斯科三大諸侯中最有權力的一個。

  1591年,俄羅斯沙皇費奧多爾一世的同父異母兄弟、有王位繼承權的季米特里被鮑里斯·戈東諾夫祕密殺害。1604年,一個自稱是季米特里的人出現,並且得到了波蘭國王西吉斯蒙德三世的支援。1605年,戈東諾夫的兒子費奧多爾二世被殺,季米特里即位,史稱“偽沙皇季米特里”或“偽季米特里”。  由於採取親波蘭的政策,偽季米特里觸怒了俄羅斯大貴族。在大貴族瓦西里·舒伊斯基的率領下,季米特里被殺,舒伊斯基即位,號稱瓦西里四世(1606—1610)。  1607年,另一個偽季米特里出現了,再次得到波蘭的支援。1610年,波蘭軍隊攻佔莫斯科,舒伊斯基被殺。這一次,西吉斯蒙德想讓自己的兒子弗瓦迪斯拉夫繼承俄羅斯皇位,後來又改變主意想自己兼任俄羅斯沙皇。但是波蘭入侵者在1612年被俄羅斯貴族們召集的軍隊驅逐。  1613年,全俄羅斯縉紳會議宣佈立17歲的米哈伊爾·羅曼諾夫為沙皇。羅曼諾夫王朝開始。

  17世紀,俄羅斯向烏克蘭東部進攻,國界開始與波蘭立陶宛聯邦接鄰。  1654年,烏克蘭領袖博格丹·赫梅利尼茨基希望烏克蘭可以受到俄國阿列克謝一世保護,阿列克謝接受,並簽署佩列亞斯拉夫條約,而後在俄波戰爭中擊敗波蘭。

  俄羅斯在向西南擴張的途中,與羅馬天主教以及波蘭反宗教組織有密切聯絡,亦帶來了西方學術。大多數烏克蘭人信奉東正教,因此透過基輔學院,俄羅斯可以與波蘭以及中歐地區與其他東正教國家聯絡。  俄羅斯東正教牧首尼孔決定以希臘語為藍本,發明屬於俄羅斯的文字,即西裡爾字母。

  俄羅斯在東征途中只遇到了小規模的反抗。公元1581年,商人斯特羅加諾夫家族進行羽絨貿易,招聘哥薩克領袖葉爾馬克·齊莫菲葉維奇,開始向西伯利亞進攻。葉爾馬克打敗了西伯利亞汗國,將國界伸延至鄂畢河及額爾齊斯河,後俄軍繼續東進,吞併了衰退中的瓦剌汗國,此汗國原為上世紀明朝的重要邊患。  東征隊伍以曼卡則亞為根據地,商人、貿易家及探險家由鄂畢河延伸至葉尼塞河,再向東至太平洋的勒拿河。1648年,哥薩克人謝苗·伊凡諾維奇·迭日涅夫率先橫渡太平洋,前往美洲大陸。17世紀中期,俄羅斯已在黑龍江駐紮,並與中國接觸。  公元1689年,俄羅斯在與清朝的衝突後與康熙皇帝簽署尼布楚條約,在條約中中國收復了黑龍江以南的領土,而貝加爾湖以東為俄羅斯所有,與中國貿易的路線也借道此區。在這一世紀期間俄國與清朝維持和睦關係。
俄羅斯沙皇國或沙皇俄國 (),簡稱沙俄或俄國,是1547年至1721年間,伊凡四世加冕沙皇后,彼得大帝改國號為俄羅斯帝國之前的俄羅斯國號。