Неожиданно для короля осада приобретает затяжной характер. Вскоре в район боевых действий начинают стягиваться русские войска. Их активность отвлекала шведов от целенаправленных действий, мешала вести планомерную осаду. В Полтаву иногда прорывалось подкрепление, доставлявшее припасы, порох, лекарства.
С прибытием в июне на театр боевых действий самого Петра I был взят курс на подготовку генерального сражения. Несколькими неделями раньше царь сообщал одному из своих друзей: «Объявляем вам, что мы здесь намерены неприятеля всеми силами атаковать». «Уроки» Нарвы были выучены наизусть. За прошедшие годы русская армия овладела многими навыками, боевой дух поддерживался опытом «славных баталий» при Калише и Лесной. Полки обучились регулярному действию на поле боя, залповой стрельбе, маневрированию по команде офицеров, могли стойко выдерживать огонь противника.
План сражения, составленный российским штабом при личном участии монарха, предусматривал сооружение на равнине перед лагерем шести редутов для прикрытия направления основного удара. Позже было решено возвести еще четыре укрепления на линии, перпендикулярной уже построенным. 42-тысячная армия Петра при поддержке 72 пушек сначала должна была отбить атаки каролинов, а уже затем перейти в наступление. Накануне битвы Пётр I обратился к солдатам и офицерам с призывом быть стойкими в час, когда решается судьба отечества. По преданию, свою речь он завершил словами: «…а о Петре ведайте, что ему жизнь его не дорога, только бы жила Россия в блаженстве и славе для благосостояния вашего».
Решающая битва Северной войны началась ранним утром 27 июня 1709 г. Шведские колонны, затемно покинувшие лагерь, атаковали передовые редуты, которые русские воины так и не успели достроить. В ходе перестрелки часть редутов была уничтожена, но и шведы понесли потери. К тому же отдельные подразделения потеряли связь с основными силами. Пробившись на равнину перед русским лагерем, шведские полки стали выстраиваться для новой атаки. Сам Карл XII находился в расположении своей армии, однако из-за ранения в ногу, случившегося накануне, не мог лично возглавлять боевые порядки. Роковой ошибкой короля стало решение отказаться от использования пушек ради лучшей мобильности.
В свою очередь, русский царь сформировал собственную линию из пехотных полков, прикрытых с флангов кавалерией. К тому времени эскадроны А. Д. Меншикова, участвовавшие в конной стычке позади редутов, сумели сосредоточить свои порядки и вернуться к лагерю. В промежутки между батальонами Пётр выдвинул несколько орудий.
Решающая атака скандинавов началась в девять утра. Несмотря на ожесточенный огонь противника, колонны правого фланга шведов смогли приблизиться на расстояние штыкового удара. В рукопашной схватке они обратили в бегство несколько русских частей. Пётр I вовремя заметил опасность. Контратаковав во главе батальонов второй линии, он сумел ликвидировать прорыв и отбросить врага на исходные позиции. Воодушевленная русская армия начала наступление по всей линии фронта. Напор пехоты по центру и фланговая атака кавалерии окончательно расстроили боевые порядки шведов. Медленный отход вскоре превратился в паническое бегство. Сам Карл, вновь чудом избежав гибели (пушечное ядро разбило носилки короля), в окружении своих драбантов отступил в лагерь.
Ночью шведский монарх отдал приказ об отходе оставшихся частей к переправе. Как писал известный историк Н. И. Павленко, «тщетно искали живого или мертвого Карла на поле боя – он с остатками разгромленной армии, Мазепой и мазепинцами после семичасового отдыха во всю прыть мчался к Днепру». 30 июня у Переволочны беглецов перехватили силы преследователей во главе с А. Д. Меншиковым (9 тысяч всадников). После переговоров уставшее и деморализованное шведское войско (около 16 тысяч человек), не имевшее средств для быстрой переправы через широкий Днепр, сдалось на милость победителей. Ответственность за капитуляцию взял на себя генерал Левенгаупт. Сам же Карл XII, вместе с Мазепой и отрядом телохранителей, сумел достичь противоположного берега, воспользовавшись найденными лодками.
«Полтавская битва». Художник Д. Мартен.
Полтавское сражение имело решающее значение для хода Северной войны. Российское войско нанесло такой урон могуществу Швеции, потери от которого она так и не смогла восполнить. По оценкам многих шведских историков, поражение оказалось самым катастрофическим за всю историю страны. И хотя Карл XII не разделил судьбу своей армии и смог укрыться во владениях турецкого султана (а боевые действия продолжались еще долгих двенадцать лет), в исходе войны уже почти никто не сомневался.
Присоединение прибалтийских земель. Поражение на Пруте. Гангут