На предложения русской стороны о мире король Карл II отвечает категорическим отказом. Русская армия становится на прикрытие западной государственной границы.
Летом 1708 года шведская армия под командованием короля Карла XII выступила в поход на Россию, она двигалась в московском направлении. В июле шведы заняли город Могилев. На помощь королю с огромным обозом из Риги поспешил ее генерал-губернатор Левенгаупт. На всем пути движения шведов русские уничтожали запасы продовольствия и фуража. В таких условиях шведский король повернул на юг, на Украину. Там его ждал изменник гетман Мазепа, обещавший Карлу XII поднять против России все украинское казачество и поставить необходимый провиант, фураж и боеприпасы.
Королевская армия вышла к русской границе у деревни Стариши. Впереди, за реками Вихря и Городня стояла русская армия. Карл I отказался от мысли дать ей генеральное сражение и окончательно повернул на юг. Петр I поручил Шереметеву преследовать вражескую армию, а сам повел войска навстречу корпусу генерала Левенгаупта.
28 сентября 1708 года состоялось сражение у деревни Лесная, победу в котором царь Петр назвал матерью полтавской виктории. Петр Алексеевич лично командовал одной из двух колонн «летучего» корпуса русской армии – корволанта. Под его командованием находились Преображенский и Семеновский полки, батальон Астраханского полка и три драгунских полка. Другой колонной (левой) командовал генерал А.Д. Меншиков. Неприятельский корпус был настигнут близ деревни Лесная.
Шведскому военачальнику пришлось принимать бой, который начался с атаки русских. Петр I с приходом свежей драгунской конницы отрезал противнику дорогу на Пропойск и усилил натиск на шведов. Левенгаупту пришлось уничтожить остатки своего огромного обоза (большая часть его стала добычей нападавших), и его корпус, преследуемый русской кавалерией, сумел добраться до королевского походного лагеря.
Сражение при Лесной стало одним из самых значительных в ходе Северной войны. Общие потери шведов составили 8,5 тысячи убитыми и ранеными, 45 офицеров и 700 солдат попали в плен. Трофеями русской армии стали 17 орудий, 44 знамени и около 3 тысяч повозок с провиантом и боеприпасами. К королю генерал Левенгаупт смог привести всего лишь около 6 тысяч деморализованных солдат.
Затем наступил день Полтавской битвы – 27 июня 1709 года. Перед этим царь Петр оказал помощь осажденной Полтаве и приказал генералу Меншикову уничтожить гетманскую ставку – крепость Батурин со всеми собранными в ней для шведской армии запасами. Сам гетман Мазепа был «представлен» к уникальной в мировой истории награде – ордену Иуды и предан анафеме.
В ноябре 1708 года на Всеукраинской раде в городе Глухове был избран новый гетман – стародубский полковник И.С. Скоропадский.
Полтавская битва стала вершиной полководческой славы царя Петра. После личной рекогносцировки местности он приказал поперек поля построить линию полевых укреплений из шести редутов, на расстоянии ружейного выстрела друг от друга. Затем перпендикулярно их фронту началось возведение еще четырех (два земляных редута к началу сражения достроить не успели). Теперь в любом случае шведской армии в ходе атаки предстояло двигаться под огнем противника. Редуты составляли передовую позицию русской армии, что было новым словом в истории военного искусства и полной неожиданностью для шведов.
В редутах разместились два батальона солдат и гренадеры. За редутами встало 17 полков драгунской кавалерии под командованием А.Д. Меншикова. За ними расположились пехота и полевая артиллерия. В 3 часа утра произошло столкновение русской и шведской кавалерии, и через два часа последняя была опрокинута. Шведская пехота попыталась прорваться через линию редутов, но сумела овладеть только двумя из них.
20-тысячная шведская армия (еще около 10 тысяч шведов и мазепинцы – сердюки и запорожцы оставались в осадном лагере для его охраны) наступала 4 колоннами пехоты и 6 колоннами кавалерии. Задуманный Петром I план удался – две шведские правофланговые колонны генералов Росса и Шлиппенбаха при прорыве через линию редутов оказались отрезанными от главных сил и были уничтожены русскими в Полтавском лесу.
В 6 часов утра царь Петр выстроил русскую армию перед походным лагерем в две линии: пехота в центре, драгунская кавалерия на флангах. Полевая артиллерия находилась в первой линии. 9 пехотных батальонов остались в лагере как резерв.
Шведская армия также приняла линейный боевой порядок и в 9 часов утра пошла в атаку. В ожесточенной рукопашной схватке шведам удалось потеснить центр русских, но в эти минуты Петр I лично повел в контратаку 2-й батальон Новгородского полка и восстановил положение. В ходе этого боя одна шведская пуля пробила ему шляпу, другая застряла в седле, а третья, попав в грудь, расплющилась о нательный крест.