Поручив Шереметеву, Бауру и Инфланду «заматывать» армию короля у Стародуба, Петр I с отрядом в 12 тыс. человек (из них 7 тыс. драгун) пошел навстречу Левенгаупту и 28 сентября наголову разбил его 15-тысячный корпус в кровопролитном сражении при Лесной. Бой длился десять часов с перерывом. Русские потеряли 1111 убитыми и 2856 ранеными.

Упорно дравшиеся шведы лишились 8000 убитыми и ранеными, 1000 пленными, 44 знамен, 17 орудий и всего обоза с припасами для армии Карла XII.

Значение этой победы было громадно, и прежде всего в моральном отношении. Это была первая победа над шведами, численно превосходившими русских. Материальные ее последствия были тоже весьма важны: шведы лишились столь нетерпеливо ожидавшихся боевых и продовольственных припасов, в частности пороха. И под Полтавой шведская артиллерия молчала.

К весне 1709 года положение шведов сделалось критическим. Численность армии уменьшилась, боеприпасы иссякали, надежды на восстание украинцев не оправдались. Находясь в крайнем положении, Карл XII решил осадить Полтаву, послушавшись советов И. Мазепы, утверждавшего, что в Полтаве шведы найдут продовольствие и большие запасы снаряжения. Король надеялся этим заставить Петра принять решающую битву. Спасти шведов могла только победа, ибо путей к отступлению у них не было.

25 апреля Карл осадил Полтаву. Гарнизон под командованием полковника Келина мужественно встретил превосходящего по силе врага. Два месяца длилась геройская оборона. Все штурмы шведов были отбиты. Карл XII лишился примерно 20 процентов своей армии, израсходовал боевые припасы и утомил окопными работами свои и без того истощенные войска.

Конница Меншикова с половины мая производила эффективные диверсии в виду крепости. Гарнизон Полтавы получил подкрепления в 900 человек, но силы осажденных все-таки слабели. Петр I двинулся на их выручку. 20 июня русская армия расположилась в восьми верстах от города, и сражение стало неизбежным.

27 июня до рассвета шведы (28 тыс.) атаковали русскую армию (42 тыс.), а уже в полдень расстроенные их толпы искали спасения в бегстве. Передовая русская линия состояла из шести редутов, занятых двумя батальонами. За редутами стояла конница (17 полков), а за нею в укрепленном лагере пехота и артиллерия (56 батальонов, 72 орудия). Шведы устремились на редуты, но после упорнейшего боя смогли взять лишь два из них. Шведская конница Рейншильда после двухчасового боя была опрокинута драгунами Меншикова с потерей 14 штандартов. Карл приказал пехоте Левенгаупта не задерживаться у редутов, а помочь своей коннице. Пройдя сквозь линию редутов, шведы расстроились, что и предвидел Петр. Подступив к укрепленному лагерю, они были отражены картечью русской артиллерии и отошли в беспорядке. Правая колонна генерала Рооса, атакованная драгунами Меншикова, бежала к Полтаве, где в шанцах сложила оружие. Город с этого времени оказался деблокирован.

Петр, ожидая второй атаки шведов, вывел русские войска из лагеря, намереваясь охватить противника с обоих флангов. Не дождавшись атаки, он двинулся навстречу врагу с 42 батальонами в две линии и 17 драгунскими полками на флангах. У Карла XII оставалось лишь 18 батальонов в одну линию, 14 кавалерийских полков и всего 4 орудия. Столкновение продолжалось всего полчаса, и к 11 часам все закончилось. Победа русской армии была полной: шведы потеряли убитыми 9234, в плену оказалось 18746 человек при 137 знаменах и штандартах, 32 орудия с фельдмаршалами Рейншильдом и Левенгауптом. Лишь Карл XII с несколькими всадниками бежал в Турцию.

Разделавшись со шведской армией, царь Петр, получивший чины генерал-лейтенанта и контр-адмирала, решил из-под Полтавы идти в Прибалтику, чтобы завершить завоевание балтийского побережья. Его победоносные войска прибыли с Украины в Лифляндию еще до наступления распутицы.

В 1710 году пали последние оплоты шведов – Рига, Пернов, Динамюнде. В Финляндии взяты были Выборг и Кекегольм, тем самым надежно прикрыт Петербург. Однако дальнейшие успехи русского оружия временно были приостановлены. Происки Карла XII в Турции увенчались успехом, и Порта осенью 1710 года объявила войну России. Зимой 1711 года русские полки выступили с Невы на Днестр. Петр I заручился союзом господарей Молдавии – Кантемира и Валахии – Бранкована и содействием Польши. Кантемир обязался выставить 10000, Бранкован – 50000 воинов, Август II двинул в Северную Молдавию 30 тыс. человек, на усиление которых был отправлен русский корпус Долгорукова. У самого Петра было до 50 тыс. солдат. Кроме этой главной армии было образовано еще две – графа Апраксина (20 тыс. регулярных войск, 40 тыс. казаков и 20 тыс. калмыков) – должна была идти на Крым, другая – князя Голицына (15 тыс. регулярных войск и 30 тыс. казаков) двинулась из Чигирина на Очаков. Таким образом, Россия выставляла 90 тыс. регулярных войск, 80 тыс. казаков, 20 тыс. калмыков. Вместе с силами, обещанными союзниками, это должно было составить до 300 тысяч войска.

В конце мая 1711 года русская армия подошла к Днестру. Авангард Шереметева дошел до Прута, где соединился с Кантемиром. Здесь русские узнали, что в Молдавии нет никаких запасов, а набор в молдавскую армию дал лишь 7000 человек. Обозы с продовольствием для армии, двигавшиеся из Киева, были перехвачены в Подолии татарами. Положение становилось серьезным. Перейдя Днестр у Сорок, царь Петр 20 июня созвал военный совет, на котором было решено двигаться вперед. Испытывая недостаток припасов, преодолевая сильный зной, русская армия вступила в Бессарабию. Надеясь на союзников, Петр смело двинулся вперед. Однако польские войска остановились в Буковине и заняли выжидательную позицию. Бранкован же предался туркам.

Тем временем визирь Балтаджи-паша подошел к Дунаю с трехсоттысячным войском и при 500 орудиях. Переоценивая силы русского царя, он остановился в нерешительности у Исакчи. Петру было предложено заключить мир. Турция соглашалась отдать все земли до Дуная. Петр I ответил отказом и совершил крупнейшую ошибку своего царствования.

8 июля произошло первое столкновение турецких войск с русско-молдавским авангардом. Все молдаване бежали, а русская армия начала отходить. Через день русские войска соединились в Станилештах и стали укреплять лагерь. Турки трижды атаковали русские позиции, потеряли до 7000 человек и были отбиты. Тем не менее, положение русской армии стало отчаянным: турки, установив многочисленную артиллерию на господствующих высотах, могли громить лагерь безнаказанно. Многочисленные стрелки не давали возможности набрать воды в реке. Армия была окружена в пять раз более сильным противником.

Петр I, готовясь к последнему бою, заготовил указ Сенату: в случае пленения его государем не считать и его распоряжений не выполнять. Однако судьба хранила царя и Россию. Визирь согласился на переговоры. Уступчивость его объясняют различно. Одни считают, что визирь был подкуплен драгоценностями Екатерины, ставшей законной женой Петра в 1712 году. Другие объясняют его уступчивость бунтом янычар.

Переговоры велись спешно, и 11 июля мир был подписан. Россия возвращала Азов с округом, обязалась срыть укрепления на Дону, на Днепре и Таганрогскую крепость. Кроме того, Петр соглашался дать пропуск Карлу XII в Швецию и обязался не вмешиваться в польские дела.