Năm 1635, chúa Nguyễn Phúc Nguyên qua đời, con thứ là Nguyễn Phúc Lan lên thay, hiệu là Thượng Vương nên còn được gọi là Chúa Thượng. Chúa Nguyễn Phúc Lan không có đóng góp gì cho việc mở mang bờ cõi lãnh thổ như các đời Chúa trước đó. Năm 1648 chúa Nguyễn Phúc Lan mất, con thứ là Nguyễn Phúc Tần lên thay, thường được gọi là Chúa Hiền. Chúa Hiền đã có công trong việc mở rộng lãnh thổ Đại Việt hơn nữa.
Đánh bại và xâm chiếm Chiêm Thành, mở rộng lãnh thổ đến tỉnh Khánh Hòa
Năm 1653, Chiêm Thành cho quân tấn công quấy nhiễu Đại Việt ở Phú Yên. Chúa Hiền sai Hùng Lộc đưa quân đến Phú Yên đánh bại quân Chiêm Thành, đồng thời vượt đèo Hổ Dương (núi Thạch Bi) đuổi theo quân Chiêm đến tận kinh thành nước Chiêm. Vua Chiêm là Po Nraup chạy trốn khỏi kinh thành rồi sai con là Xác Bà Ân dâng thư xin hàng.
Chúa Hiền đồng ý cho hàng, lấy sông Phan Rang làm biên giới, sáp nhập hai Phủ Thái Khang và Diên Ninh (thuộc tỉnh Khánh Hòa ngày nay), mở rộng thêm biên giới lãnh thổ.
Sáp nhập Đồng Nai và Gia Định
Thời kỳ này, tình hình Cao Miên rất rối ren. Trong hoàng tộc anh em chú bác đánh lẫn nhau nhằm tranh giành ngôi Vua.
Hai con của vị vua đã quá cố là Ang Sur và Ang Tan dấy binh chống lại vua Ramathipadi I (Nặc Ông Chân) nhưng thất bại. Vậy nên hai người này tìm đến thái hậu Ngọc Vạn (tức con gái chúa Nguyễn Phúc Nguyên), được Thái hậu hứa sẽ giúp đỡ cầu cứu chúa Nguyễn Phúc Tần.
Chúa Nguyễn liền cho tướng Nguyễn Phúc Yến đưa quân đến Mỗi Xuy (nay thuộc huyện Phúc An, tỉnh Bà rịa Vũng tàu). Quân Chúa Nguyễn tiến được vào thành, bắt vua Ramathipadi I.
Nhờ sự can thiệp của chúa Nguyễn mà Ang Sur được làm Quốc vương, xưng là Barom Reachea V, đóng tại Long Úc (Oudong); còn Ang Nan (Nặc Nộn) làm Phó vương đóng tại thành Sài Gòn ngày nay.
Hai Vương của Cao Miên thần phục Chúa Nguyễn, đồng ý cống nạp theo định kỳ và hoàn toàn phụ thuộc vào Chúa Nguyễn. Thời kỳ này cũng chứng kiến việc cư dân Việt đến Cao Miên sinh sống rất đông, kiểm soát rất nhiều vùng đất.
Lúc này tại Trung Hoa, nhà Thanh lật đổ nhà Minh lập ra triều đại mới. Năm 1679, một số quan tướng nhà Minh không theo nhà Thanh đem 3.000 người đi trên 50 thuyền đến Đàng Trong, dâng sớ xin được làm dân xứ Việt.
Chúa Hiền thấy họ cùng quẫn mà đến, lại tỏ lòng trung thực mong được an cư lạc nghiệp. Ông nhận thấy nhiều vùng đất của Cao Miên ở phía Nam màu mỡ nhưng chưa được khai phá nên giao cho họ khai hoang đất đai để ở, phong cho họ quan tước rồi cho đến vùng Gia Định, Nông Nại (Đồng Nai ngày nay), trấn Định Tường (thuộc Mỹ Tho), Bàn Lân, Lộc Đã (tức Biên Hòa, Đồng Nai ngày nay). Tại những vùng này họ mở mang đất đai, lập phố chợ, giao thông buôn bán. Dần dần các tàu thuyền người Hoa, người phương Tây, Indonesia đến đây buôn bán ngày càng tấp nập.
Với việc sáp nhập thêm Khánh Hòa, Đồng Nai, Gia Định, lãnh thổ Đại Việt năm 1679 thay đổi như sau:
