Jo Sigismundin isä Juhana III oli turhaan pyrkinyt Puolan kuninkaaksi kahteen otteeseen. Kun se ei onnistunut, hän ryhtyi ajamaan tehtävään poikaansa. Myöhemmin Juhana III alkoi kuitenkin epäillä ratkaisun viisautta, sillä myös Ruotsin ylhäisaateli tuki kuninkuutta Puolassa siitä syystä, että se antaisi heille suuremman vallan Ruotsissa.
Sigismund valittiin Puolan kuninkaaksi 1587. Jakaantuneet valtiopäivät valitsivat itse asiassa kaksi kuningasta. Maaseutuaateli valitsi Sigismundin ja ylhäisaateli Habsburg-sukua oleva arkkiherttua Maximilianin. Sigismundia tukevat maaseutuaatelin joukot kuitenkin löivät taistelussa ylhäisaatelin Krakovan edustalla, ja Sigismundista tuli kuningas.
Kuninkaan valta oli Puolassa kaiken kaikkiaan heikko, ja lisäksi Sigismund III menetti pian maalaisaatelin tuen. Sigismund oli kuninkaana aluksi passiivinen, eikä hän esimerkiksi halunnut taistella Vironmaan liittämiseksi Puolaan, vaikka oli sitoutunut siihen kuninkaaksi noustessaan. Myöhemmin Sigismund aktivoitui, ja hänen asemansa vahvistui.
Sigismund III ei koskaan luopunut vaateistaan Ruotsin kruunuun, vaan piti itseään kuolemaansa saakka Ruotsin oikeana hallitsijana[2]. Vuonna 1600 Puola yritti Sigismundin johdolla vallata Ruotsilta Vironmaan. Tämän jälkeen maiden välille puhkesi sota Liivinmaan omistuksesta. Sigismund kävi sotaa setäänsä Kaarlea (kuninkaana Kaarle IX) ja myöhemmin serkkuaan Kustaa II Adolfia vastaan Altmarkin välirauhaan 1629 asti.
Sigismund hämmensi osaltaan myös Venäjän sekasortoista tilannetta 1600-luvun alussa. Vuonna 1609 hän lähti sotaretkelle kohti Smolenskia. Kun Rurikien hallitsijasuku oli sammunut Venäjällä 1598 uudeksi tsaariksi oli useita tarjokkaita. Pajariduuma tarjosi tsaariutta Sigismundin pojalle Vladislaville, ja puolalaisjoukot jatkoivat kohti Moskovaa. Puolan joukot löivät ruotsalais-venäläisen armeijan 1610 ja pääsivät Moskovaan.[3] Puola miehitti Moskovan Kremliä pari vuotta, ja Vladislavin tsaarius olisi varmistunut, ellei Sigismund olisi vaatinut paikkaa itselleen. Kansannousun jälkeen puolalaiset ajettiin Moskovasta. Sotaretki jatkui vielä muutaman vuoden ja päättyi Puolalle edulliseen rauhaan 1618.
Puolan kuninkaana Sigismund muun muassa muutti maan pääkaupungin Krakovasta Varsovaan 1596 ja rakennutti sinne kuninkaanlinnan. Puolan ja Liettuan unionissa Varsova oli sopiva pääkaupungin paikka, sillä se oli suunnilleen puolivälissä Krakovan ja Vilnan välillä. Aivan kuninkaanlinnan viereen rakennettiin näyttävä Sigismund III Vaasan patsas.
Eräs Sigismund III:n merkittävimpiä päätöksiä oli maan katolisen ja ortodoksisen kirkon yhdistäminen uniaattikirkoksi Brestin unionissa 1596. Päätöksen mukaan maan ortodoksit säilyttivät tunnustuksensa, mutta tunnustivat paavin yliherruuden.[4] 45 vuotta vallassa ollut Sigismund III on Puolan pitkäikäisimpiä hallitsijoita. Sigismundin seuraaja maan kuninkaana oli hänen poikansa Vladislav IV (Władysłav IV Waza).