Между тем положение Августа II становилось все более ненадежным. Шведские войска заняли Варшаву и Краков; под их угрозой польский сейм в 1704 г. объявил Августа низложенным и провозгласил королем шведского ставленника Станислава Лещинского. В ответ была создана Сандомирская конфедерация, которая отказалась признать Лещинского польским королем и объявила войну Швеции. Но шведская армия продолжала наступление, вступила в пределы Саксонии, заняла Лейпциг и заставила Августа II капитулировать. В октябре 1706 г. между Саксонией и Швецией тайно был заключен Альтранштадтский мирный договор, по которому Август II отказывался от польской короны и разрывал союз с русским царем.
Таким образом, Россия осталась в одиночестве в войне со Швецией. Правда, Сандомирская конфедерация подтвердила свой союз с Россией, однако практически никакой военной помощи она не могла оказать. Петр I должен был рассчитывать только на собственные силы. А шведская армия в августе 1707 г. через Польшу двинулась на восток к русским границам. Карл XII рассчитывал главный удар нанести через Смоленск на Москву и там победоносно закончить войну. Русское командование разработало свой стратегический план. Согласно ему решено было дать шведам генеральное сражение не на польской, а на своей, русской территории и в наиболее удобное время и выгодной обстановке, а до этого отступать, нанося шведам частные, но чувствительные удары. Одновременно Петр I приказал укрепить приграничные районы, а население призвал к партизанской войне против иноземных захватчиков.
Расчеты русского командования оказались более правильными. На протяжении 1708 г. по мере продвижения шведских войск в боях у местечка Головчина, с. Доброго и д. Раевки они потеряли несколько тысяч человек. В то же время не удались и попытки шведов атаковать Петербург. В результате Карл XII, дойдя почти до самой русской границы, не решился продолжать дальше наступление на Смоленск и повернул на юг. Он рассчитывал здесь дать зимой своей армии передышку, пополнить запасы продовольствия, получить подкрепление польскими войсками Станислава Лещинского, а также войсками украинского гетмана Мазепы, изменившего России. За это же время он надеялся привлечь на свою сторону Крым и Турцию. Уже то, что удалось заставить Карла XII временно отказаться от своего первоначального плана, похода на Москву, было большой победой русской армии. Еще более ее боевой дух поднялся после того, как в бою 28 сентября 1708 г. при д. Лесной на р. Соже меньшими силами был разбит сильный корпус генерала Левенгаупта, который шел на соединение с главной армией шведов.
Надежды Карла XII не оправдались. Украинский народ не пошел за изменником Мазепой, и последний привел к шведам лишь небольшой отряд. Украинское население не давало захватчикам продовольствие, непрерывно нападало на шведские войска, в результате чего они теряли свои силы. Специально выделенный русский отряд не дал Лещинскому возможности придти на помощь Карлу. Турция и Крым также не торопились поддержать шведов, ожидая, чем закончится их схватка с русскими.
В апреле 1709 г. Карл XII осадил Полтаву, надеясь здесь захватить большие запасы продовольствия. Со своей стороны, Петр I решил дать под Полтавой генеральное сражение шведам, которое и произошло 27 июня. В результате прославленная шведская армия была наголову разбита. Она потеряла более 9 тыс. человек убитыми и около 20 тыс. человек попали в плен. Потери русских составили 4635 человек убитыми и ранеными. Карлу XII, раненому в боях, и изменнику Мазепе с небольшим отрядом удалось бежать на территорию Турции.
Полтавская победа продемонстрировала храбрость русской армии и большое военное искусство Петра I и его соратников и означала закат шведской армии. Она предопределила победоносный исход Северной войны и тем самым спасла Россию от иностранных захватчиков.
Международное положение России после разгрома шведов резко улучшилось. Почти сразу Дания и Август II, изгнавший из Польши Лещинского, возобновили союз с Россией, но взаимоотношения между союзниками стали уже другими. Если раньше они являлись равноправными партнерами, то теперь Россия стала играть главную роль, а ее союзники — второстепенную. Вскоре к антишведскому союзу присоединилась и Пруссия. Наиболее крупные европейские державы в лице Англии, Голландии, Австрии и Франции, которые вели войну за испанское наследство, стремились теперь привлечь Россию на свою сторону.