Следует отметить, что с начала 1709 года Карл и его министры делали отчаянные попытки улучшить свое положение. Так, Карл приказал шведскому корпусу Крассау, оставленному в Польше, идти на Украину вместе с войском короля Станислава. Делались попытки вовлечь в войну Оттоманскую империю и крымских ханов. В конце марта было послано письмо крымскому хану Девлету Гирею II, а также через Бендеры султану Ахмеду III в Константинополь. Однако стало ясно, что ждать помощи извне шведам бесполезно.

22 июня полковник Сандул Кольц вернулся из своего дипломатического визита в Бендеры. Вместе с ним также возвратился письмоводитель Отто Вильхельм Клинков-стрём, который ехал от командующего шведской армией в Польше Крассау. Их сопровождали эмиссары, возвратившиеся от крымского хана. Вести, которые они привезли, горько разочаровали короля. Корпус Крассау и войска польского короля, как оказалось, стояли за рекой Сан под Ярославом в западной Польше и не могли двинуться с места. Между ними и шведской армией встал у Львова корпус русского генерала Гольца (этот корпус к тому же взаимодействовал с польско-литовским войском гетмана Сенявского). Кроме того, на дороге от Львова до Полтавы, по которой должен был идти Крассау, находился город-крепость Киев с большим гарнизоном. Расстояние между Ярославом и Полтавой более тысячи верст. Другими словами, всякая надежда получить подкрепления от Крассау и короля Станислава Лещинского была потеряна.

Нечего также было ожидать помощи от турок и татар. Новый татарский хан Девлет Гирей II так и рвался грабить русские земли. Но султан предпочел не вмешиваться в войну и урезонил хана. Дело в том, что Карл XII своими подвигами напугал не только царя Петра, но и султана Ахмеда III. Турки давным давно «положили глаз» на польские земли, и оккупация Речи Посполитой шведами их совсем не устраивала. Несколько упрощая ситуацию, можно сказать, что Ахмед III на 22 июня 1709 года больше боялся Карла, нежели Петра.

Понимание, что помощи ждать неоткуда, и определило решения шведского командования. Дальше оттягивать было бессмысленно. В своих расчетах приходилось полагаться исключительно на себя. Сидеть и в бездействии ждать дальше было невозможно из-за недостатка продовольствия. Карл решил атаковать русских на рассвете 27 июля.

К этому времени под его начальством было 18 батальонов пехоты (8200 человек) и 4 пушки, 109 эскадронов конницы (7800 человек), Валашский полк (12 эскадронов иррегулярной кавалерии, 1000 человек). В осадных укреплениях под Полтавой находились 2,5 батальона пехоты (1100 человек), 4 эскадрона конницы (200 человек) и 2 пушки. В обозе находилось 2,5 эскадрона кавалерии (200 человек), небольшой отряд пехоты, 3000 гетманских казаков Мазепы, 8000 запорожцев, 28 орудий (21 пушка в 3-6 фунтов, две 16-фунтовые гаубицы, 5 мортир в 6 фунтов. Вне поля битвы в низовьях реки Ворсклы находилось 1800 кавалеристов. Кроме того, в лазаретах при обозе было 2250 раненых и больных. При войске состояло около 1100 чиновников, около 4000 нонкомбатантов (конюхов, денщиков и рабочих) и 1700 жен и детей солдат и офицеров.

Армия Петра значительно превосходила силы шведов, в ее состав входило 42 тысячи регулярных и 5 тысяч иррегулярных войск. Кроме того, в последний момент подошло 3 тысячи калмыков хана Акжа (некоторые историки, в том числе Бескровный, говорят о 30 тысячах калмыков, но эта цифра появилась, скорей всего, благодаря нерадивому писарю, поставившему еще один ноль в документе). Еще больше было превосходство русских в артиллерии. Полевая и полковая артиллерия под Полтавой включала 69 стволов: одну гаубицу, 3 мортиры, 65 пушек. Все эти данные приводятся без гарнизона Полтавы, о котором было сказано выше.

27 июня в 2 часа ночи шведская армия начала наступление. Впереди четырьмя колоннами шла шведская пехота, за ней шестью колоннами двигалась конница. Шведам удалось взять два передовых редута. Однако перед следующим редутом из-за сильного огня русских им пришлось остановиться. Тогда Карл решил передвинуть войска влево и обойти редуты. Но шведская армия не могла поместиться между Будищенским лесом и продольными редутами, вследствие чего во время разгоревшегося здесь боя группа шведских войск из шести батальонов пехоты и десяти эскадронов конницы под командованием генералов Росса и Шлиппенбаха, отрезанная редутами, оторвалась от основной части армии и укрылась в лесу севернее Полтавы.

Петр организовал отряд из пяти батальонов пехоты и пяти драгунских полков под командованием Меншикова, который нанес поражение оторвавшейся группе шведских войск и взял в плен генерала Шлиппенбаха. После этого войска Меншикова наткнулись в лесу на крупный резервный отряд шведов и разгромили его. Направив к Полтаве часть своих войск для преследования остатков разгромленных сил противника, Меншиков во главе остального отряда прибыл к укрепленному лагерю.

Тем временем главным силам шведской армии с большими потерями удалось прорваться через линию редутов. Правый фланг шведских войск оказался под ударом со стороны русского лагеря. Петр воспользовался этим и приказал открыть по врагу сильный артиллерийский и ружейный огонь, в результате чего шведы понесли большие потери и были отброшены к Будищенскому лесу.

После этого Петр принял решение дать сражение на открытой местности. Он вывел войска из лагеря и выстроил их в две линии. В целях наилучшей взаимной выручки каждый пехотный полк был построен в следующий боевой порядок: один батальон – в первой линии, другой – во второй линии. На флангах размещалась конница. В резерв были выделены девять батальонов, которые оставались в лагере. Артиллерия располагалась по всему фронту впереди боевого порядка. Шведская пехота была построена в одну линию, а кавалерия на флангах – в две линии.

Построив полки для решительной атаки, Петр обратился к солдатам со словами: «Воины! Вот пришел час, который решит судьбу отечества. И так не должны вы помышлять, что сражаетесь за Петра, но за государство Петру врученное, за отечество... Не должна вас также смущать слава неприятеля, будто бы непобедимого, которой ложь вы сами своими победами над ним неоднократно доказывали... А о Петре ведайте, что ему жизнь его недорога, только бы жила Россия в блаженстве и славе для благосостояния вашего!»

В девятом часу утра шведы перешли в наступление. Русские войска с близкого расстояния открыли сильный артиллерийский и ружейный огонь, который наносил врагу большой урон. Однако шведы продолжали атаку, настойчиво стремясь прорвать фронт русских войск. Началась рукопашная схватка. Правое крыло шведов стало теснить передовой порядок Новгородского полка. Первая линия русских войск была прорвана почти в самом центре.

В это время Петр лично повел в бой батальон второй линий Новгородского полка. Стремительным ударом русские войска смяли прорвавшегося противника и закрыли прорыв. Ожесточенный рукопашный бой шел по всему фронту. Русская конница охватывала фланги шведов. Конные полки под командованием Меншикова, сосредоточенные на левом фланге, стали угрожать тылу шведской армии. Противник дрогнул, начал отступать и вскоре обратился в бегство.

Отличительной чертой тактики Карла XII являлось глубокое презрение к полевой артиллерии. Практически все свои победы он одержал без участия артиллерии. Не стала исключением и Полтава. 28 пушек, то есть почти вся артиллерия шведов, пробыли все сражение в обозе, в то время как огонь русских пушек буквально косил шведов. Впервые шведская артиллерия заговорила в полный голос лишь тогда, когда русская конница попыталась во второй половине дня 27 июня атаковать шведский обоз у местечка Пушкаревка. Первый же залп обратил конницу в бегство.