В Польше в то время шла ожесточённая борьба между двумя претендентами на престол: Августом Саксонским, союзником Петра, и Станиславом Лещинским, союзником Карла. С победами Карла и его вторжением в Польшу росли и шансы Лещинского, а война постепенно приближалась к границам Левобережья. Мазепа установил контакт с возможными победителями — сначала с Лещинским, а когда Карл XII приблизился к границам Украины, то и с ним. Гетман обещал выступить на стороне Карла с двадцатитысячным войском, как только он появится на подвластной Мазепе территории.
Об этих переговорах никто ничего не знал, и только генеральный судья Кочубей и полтавский полковник Искра послали Петру донос (который сохранился). В нём было 26 пунктов, но ни один из них не подтверждался какими-либо доказательствами, отчего при чтении возникало впечатление бездоказательного навета. Так его и воспринял Пётр, и с ним согласились Головкин и Шафиров, которым царь поручил произвести дознание. Эти двое были личными друзьями Мазепы. В результате доносчиков выдали Мазепе, и он их казнил.
В это время (1707) Пётр усиленно готовился к столкновению с Карлом, и призывал Мазепу подготовить и возглавить войско. Не желая раньше времени выявлять свои планы, гетман притворился больным, а Петру писал о там, что как только оправится, то сейчас же выступит в поход. Обеспокоенный болезнью своего любимца, Пётр даже послал к нему своего лекаря-итальянца. Но Мазепа всё не поправлялся, а, как умирающий, попросил митрополита совершить над ним соборование, о чём немедленно был уведомлён Пётр.
Но «болезнь» Мазепы помешала ему сосредоточить обещанные Карлу 20 000 войска. В результате осенью 1708 года, когда Карл занял Могилёв и переправился через Днепр, у Мазепы в Батурине было всего около 5000 войска, преимущественно не реестровых казаков, а наёмных «компанейцев» и «сердюков». Но медлить он уже не мог, ибо с севера приближался с большим отрядом Меншиков и, если бы он успел застать Мазепу в Батурине, весь план пропал бы. Оставив гарнизон в Батурине, Мазепа с группой старшины и отрядом около 3–4 тысяч войска (точных данных нет), отправился навстречу Карлу, который уже вошёл в пределы Стародубского полка и стоял в селе Горки, южнее Новгорода-Северского. «Войско не знало, куда и зачем его ведёт Мазепа, предполагая, что их ведут против шведов», — так рассказывал Петру перебежавший от шведов компанейский полковник Игнатий Галаган.
Узнав об измене, Пётр немедленно принял решительные меры: приказал Меншикову взять Батурин (что и было сделано), обратился к населению с манифестом, призывающим не идти за Мазепой, а тех, кто пошёл — вернуться, и назначил выборы нового гетмана. Население Мазепу не поддержало, и отдельные старшины начали прибывать к Петру с изъявлением верности. Одними из первых был Стародубский полковник Иван Скоропадский, Черниговский — Полуботок, и много других. Некоторые полковники, например, Галаган, Апостол и другие, вначале пошедшие за Мазепой, возвращались к Петру, который их не только не наказывал, но ещё и награждал за верность.
6 ноября 1708 в Глухове был торжественно выбран гетманом полковник Иван Скоропадский. При этом находившимся там же Петром была подписана и оглашена царская грамота, подтверждающая «сохранение вольностей и преимуществ Малороссийских». А через пять дней прибывший сюда же Киевский митрополит Иосиф Кроковский, и архиепископы с епископами, в особой церемонии предали вечному проклятию Мазепу и его помощников. Мазепа же находился в походе со шведским войском, которое двигалось к городам Ромны и Гадяч на зимние квартиры, где для шведов предателем было заранее заготовлено продовольствие и возведены укрепления. Но, начав теперь сомневаться в победе Карла, Мазепа через полковника Апостола обещал Петру содействовать поражению и даже пленению Карла. Пётр его обнадёжил, но предложению не поверил, и продолжал готовиться к решительному сражению с Карлом.
Зима 1708/1709 прошла без особенно крупных столкновений. Шведы сидели в Ромнах и Гадяче, а русская ставка была в Лебедине. Наши силы росли, благодаря прибывавшим подкреплениям; силы же и запасы шведов таяли, и они искали, кого бы ещё склонить к предательству. К маю 1709 года, после длительных уговоров, Мазепе и Карлу удалось подбить на это дело запорожцев, и те, под предводительством кошевого Гордиенка, двинулись на помощь Карлу.