25 czerwca 1635 w obliczu nowej wojny ze Szwecją podążył do Torunia. W Wiedniu, gdzie pojechał na ślub Marii Anny – córki cesarza z Maksymilianem I – elektorem bawarskim, jako reprezentant króla prowadził pertraktacje w sprawie pomocy Habsburgów w walce przeciwko Szwedom. Otrzymał pod swoje dowództwo regiment kirasjerów i polskich ochotników, z którymi wyruszył na front wojny trzydziestoletniej do Alzacji. Powrócił do kraju po zawarciu przez Władysława IV rozejmu w Sztumskiej Wsi 12 września 1635.
Wicekról Portugalii i aresztowanie przez kardynała Richelieu
Mimo cesarskich obietnic, nie otrzymał księstwa lennego, a gdy sejm nie przyznał mu księstwa Kurlandii, przyjął propozycję godności wicekróla Portugalii. Udał się do Hiszpanii, gdzie miał otrzymać coroczną pensję i zawrzeć małżeństwo. Podróżował drogą morską. Statek, którym płynął, z powodu sztormu musiał dobić do francuskiego wybrzeża, gdzie Jan Kazimierz został aresztowany z rozkazu kardynała Richelieu i oskarżony o szpiegostwo na rzecz hiszpańskich Habsburgów, którzy prowadzili wówczas wojnę z Francją. Był więźniem od 10 maja 1638 do lutego 1640. Do wiosny 1639 r. więziony był w twierdzy Sisteron u stóp Alp, a następnie przewieziono go do zamku w podparyskim Vincennes.