Нарву, гарнизон которой насчитывал 1,5 тысячи солдат и 150 орудий, с середины октября осаждала русская армия в 34 тысячи человек при 145 орудиях. Получив известие о движении Карла к Нарве, Петр выслал ему навстречу 6-тысячный отряд конницы под командованием Б. П. Шереметьева. У Везенберга этот отряд потерпел поражение от шведского авангарда и отступил к главным силам, утратив соприкосновение с противником. После этого Петр, опасаясь поражения, покинул армию и отбыл в Новгород.

Рано утром 19 ноября шведы через лес внезапно подошли к русскому лагерю и заняли господствующую высоту Германсберг. После этого шведская армия развернулась в боевой порядок и начала артиллерийский обстрел русских позиций. Русские пушки отвечали. В 2 часа дня Карл бросил свои войска в атаку. Сильная метель позволила наступающим подойти незамеченными ко рву, окружавшему лагерь. Дав залп из мушкетов, шведские пехотинцы забросали ров фашинами и ворвались в лагерь. Центр русского боевого порядка был прорван, и многие офицеры-иностранцы, находившиеся на русской службе, поспешили сдаться. На правом фланге Преображенский и Семеновский гвардейские полки отбили все атаки, но это не изменило неблагоприятного для русской армии хода сражения. Левофланговая дивизия русских также дралась упорно, пока не был ранен ее командир генерал Вейде. После этого ряды дивизии расстроились, она была окружена и сложила оружие.

Конница Шереметьева бежала с поля боя в самом начале сражения, а пехота центра пришла в полное расстройство. Главнокомандующий русской армией герцог де Кроа согласился на капитуляцию. Русские войска получили право отступить к Новгороду, но оставили шведам весь свой лагерь с запасами и артиллерию.

Русская армия в битве при Нарве потеряла 4 тысячи убитыми, 2 тысячи утонувшими в реке и 12 тысяч пленными. Потери шведов составили около 2 тысяч убитых и раненых. Карл одержал полную победу над втрое сильнейшим по численности противником. Кроме того, немало уцелевших русских солдат погибли при отступлении к Новгороду от голода и холода.

Царь занялся реорганизацией армии. Карл не рискнул преследовать русских вглубь России. Вместо этого шведский король двинулся в Польшу. 27 июня 1701 года он нанес поражение армии Августа, вновь осадившей Ригу. 18 июля последовал новый успех шведов под Динабургом. Армия Карла заняла Курляндию, затем двинулась в Литву, а 14 мая 1702 года заняла Варшаву. 19 июля 1702 года в сражении под Клишовым шведы разбили польско-саксонскую армию и вслед за этим заняли Краков. 1 мая 1703 года собранная Августом новая армия была разгромлена под Пултуском.

В 1704 году созванный в Варшаве под охраной шведских штыков сейм лишил Августа II польского трона и избрал королем шведского ставленника Станислава Лещинского. В следующем году почти все польские земли перешли под контроль армии Карла.

Петр пришел на помощь Августу и сосредоточил в Гродно весной 1705 года 40-тысячную армию, которая в январе 1706 года была окружена шведами и лишь в начале апреля, с большими потерями и пожертвовав арьергардом, прорвалась на юг. Тем временем саксонский курфюрст потерпел новое поражение и в сентябре 1706 года вынужден был заключить в Альтранштедте мирный договор, по которому отказался от притязаний на польскую корону и разорвал союз с Россией. Но уже в октябре с помощью русских войск польско-саксонская армия нанесла поражение шведам при Калише. Однако потом успех вновь склонился на сторону шведских войск, оккупировавших Саксонию.

Посчитав, что с Августом покончено, шведский король решил обратиться против России. К тому времени русские войска в Прибалтике достигли заметных успехов. 11 ноября 1702 года под руководством Петра был взят Нотебург, переименованный в Шлиссельбург, а 12 мая 1703 года – Ниеншанц. 27 мая 1703 года на отвоеванной у шведов территории близ устья Невы была заложена новая столица Санкт-Петербург. В 1704 году русские войска овладели Нарвой и Дерптом, утвердившись на Балтийском побережье. У Карла был выбор – пойти в Прибалтику для разгрома находившихся там русских сил и возвращения шведских владений или вторгнуться вглубь России. Король выбрал второй вариант и в начале 1708 года двинулся в восточные воеводства Речи Посполитой. В январе шведы заняли Гродно, а в июне 1708 года армия Карла XII форсировала реку Березину и двинулась к русской границе. 3 июля русские войска были разбиты у местечка Головчино северо-западнее Могилева и отступили за Днепр.

Карл занял Могилев и в августе пошел на Смоленск. Однако местность была сильно разорена отступающим неприятелем, и шведский король повернул на левобережную Украину, где надеялся найти продовольствие и фураж. В конце сентября он остановился в Костеничах на стародубской дороге, ожидая корпус генерала Левенгаупта, вышедший в июне из Риги с большим обозом.

Переправившись 21 сентября через Днепр у Шклова, Левенгаупт пошел к Пропойску. Его преследовал А. Д. Меншиков с 12-тысячным конным корпусом в составе 10 драгунских и 3 пехотных полков, посаженных на лошадей. Одновременно наперерез Левенгаупту двинулся 4-тысячный кавалерийский отряд генерала Р. Х. Боура. 27 сентября Левенгаупт занял деревню Лесная. Обоз под прикрытием 3-тысячного войска он отправил к Пропойску. У Левенгаупта осталось 13 тысяч солдат и 17 орудий. Противостоявшие ему главные русские силы насчитывали 16 тысяч при 30 орудиях. Их возглавил сам Петр.

Сражение началось в 8 утра 27 сентября. Русская артиллерия открыла огонь из находившегося недалеко от деревни леса и заставила отступить шведские полки. Однако когда русская пехота стала выстраиваться на опушке леса, шведы контратаковали и захватили четыре пушки. Их остановили преображенцы и семеновцы. Лес мешал продвижению шведов, и туда были отведены передовые русские полки, понесшие большие потери. Позднее Петр признавался в письме генерал-адмиралу Ф. М. Апраксину: «Ежели б не леса, то б оныя выиграли…»

Русские вновь построили боевой порядок и атаковали, но Левенгаупт отразил их огнем тяжелой артиллерии. Тут появился корпус Меншикова. После полудня последовала новая мощная атака 12 драгунских полков и 12 пехотных батальонов русских. К трем часам дня шведы были оттеснены до вагенбурга. Тут подошли драгуны Боура, а к Левенгаупту вернулся трехтысячный авангард. Вплоть до темноты шведы смогли удержать вагенбург и не допустить прорыва своего фронта. Артиллерийская дуэль прекратилась только в десять часов вечера.

Утром Петр собирался возобновить атаку, но Левенгаупт скрытно отвел армию к Пропойску, посадив пехоту на обозных лошадей. На месте лагеря перед уходом он разжег бивуачные костры из ставших больше ненужными обозных фур, чтобы противник решил, будто шведская армия заночевала в Лесной. Преследование началось только утром. Русские драгуны генерала Пфлуга 29 сентября прибыли в Пропойск, где захватили остатки шведского обоза. Левенгаупт, не имея возможности увезти артиллерию, утопил пушки в болоте, а порох и заряды – в реке Сож. Потери шведов в ходе битвы при Лесной составили 6400 убитыми и ранеными и 700 пленными. Русские потеряли убитыми и ранеными 4 тысячи человек.

Левенгаупт пришел к Карлу лишь с половиной своего корпуса. К Карлу присоединился также украинский гетман Иван Мазепа с 5-тысячным войском. До этого он был одним из наиболее близких соратников Петра, был награжден всеми российскими орденами и получил титул князя Священной Римской империи. Однако, узнав о намерении Петра установить полный контроль Москвы над Украиной и прикрепить украинских казаков к земле, Мазепа решил попытать счастья со шведами. Шведский протекторат обещал быть не столь обременительным, как российский.