Убедившись, что штурм редутов лишь обескровит армию, Карл XII дал приказ фельдмаршалу Реншильду обходить русские укрепления. Шведские полки начали фланговый маневр и устремились в проход между редутами и близлежащим лесом. Но тут их ждала переброшенная русская кавалерия. В завязавшемся бою русские перешли в контратаку, нанесли шведам большой урон и приостановили их движение. В это время часть шведских полков в пылу атаки продолжала атаковать редуты и не последовала за основными силами. Петр мгновенно оценил изменившуюся обстановку и бросил против отклонившейся части шведов несколько кавалерийских полков и батальонов пехоты. Те нанесли по шведам сокрушающий удар, их кавалерия была уничтожена, а пехота рассеяна. Остатки шведских полков бежали к Полтаве под прикрытие своих позиций.
Не добившись успеха в обходном маневре и потеряв часть войск на своем правом фланге, Карл XII перегруппировал силы и вновь бросил их во фронтальное наступление, стремясь пройти между редутами. Когда же шведы наконец преодолели укрепления и пыль и дым рассеялись, они обнаружили себя в 70–80 метрах от русского лагеря. Оттуда ударила тяжелая полевая артиллерия. Картечь начала косить шведов. Они смешались и бросились в сторону леса, но Карл XII вернул их и вновь бросил на русские позиции.
И тут-то Петр дал приказ вывести основную часть армии из лагеря. В центре встала пехота под командованием Репнина. На правом фланге рвалась в бой конница — 18 драгунских полков во главе с генералом Боуром, на левом фланге к бою изготовилась конница Меншикова. Именно здесь Петр произнес перед войсками свою речь, призывая их постоять за Отечество. Было 9 часов утра.
Шведы и русские одновременно двинулись навстречу друг другу. Шведы ещё не приблизились к передовой русской линии, а артиллерия, оставшаяся в лагере, снова открыла по ним огонь. Шведы несли большие потери, но, проявив огромное мужество и боевую выучку, упорно продвигались вперед. Ударом ядра разбило качалку Карла XII, и король оказался на земле. Пронесся панический крик, что король убит. Но Карл XII нашел в себе силы подняться и сесть в седло. Вынув шпагу, он звал шведов вперед.
Увидев своего короля, шведы воспряли духом и бросились в атаку. Удар их по центру русского войска был страшен. Первый батальон Новгородского пехотного полка, состоявшего в основном из новобранцев, не выдержал натиска; солдаты попятились назад. Создалась угроза прорыва центра русских войск. Шведы грозили захватить лагерь и завладеть артиллерией. Судьба битвы повисла на волоске. В этот момент Петр лично повел в контратаку второй батальон новгородцев. Его шляпа и седло в нескольких местах были прострелены. Но он уцелел. Шведский прорыв был остановлен, и по всему фронту русские полки по сигналу самого царя перешли в контрнаступление.
Одновременно кавалерийские части Боура и Меншикова ударили с флангов. Войска противника смешались. Напрасно Карл XII взывал к ним: «Шведы! Шведы!». Но его армия рассыпалась. Началась свалка. Король упал с лошади, и тут же раздался крик фельдмаршала Реншильда: «Молодцы! Спасайте короля!» Телохранители с трудом вынесли короля из толпы сражавшихся, посадили на лошадь. Лицо короля было залито кровью. Рядом, спасаясь от преследования, скакал с несколькими казаками Иван Мазепа.
Бегущие шведы прятались в окрестных лесах, но там их преследовали русские драгуны. Часть шведов добралась до своего лагеря под Полтавой. Но и здесь их ждал удар. Открылись ворота крепости, и полтавский гарнизон пошел в атаку. Шведы стали бросать оружие на землю и сдаваться.
Вскоре сражение затихло. Почти 3 тысячи шведов попали в плен. Среди них был и фельдмаршал Реншильд. В руках русских оказалась вся казна короля, 264 шведских знамени и штандарта, в том числе и королевский.
Петр праздновал победу. В свой шатер он пригласил пленных шведских генералов, которым было сохранено личное оружие, и поднял кубок за своих учителей. «Кто же эти учителя?» — спросил Реншильд. «Вы, господа шведы», — ответил Петр.
Вдогонку за королем была послана конница с приказом во чтобы то ни стало пленить заклятого врага России. Тому, кто это сделает, царь обещал генеральский чин и 100 тысяч золотых рублей. Но Карл и Мазепа вместе с остатками своей армии уже достигли берега Днепра. На нескольких лодках, всего за три часа до появления здесь русской кавалерии, беглецы в сопровождении конвоя переправились на противоположный берег и бросились в степь, стремясь достигнуть турецкой границы. Остальная часть шведского войска во главе со своими генералами сдалась Меншикову на берегу Днепра.
Петр был вне себя от счастья, от переполнявших его чувств. Долгих десять лет борьбы закончились его триумфом. Он приказал на месте Полтавской баталии построить церковь и воздвигнуть монумент в свою честь. Пышные молебны и празднества состоялись в Киеве и Москве. К европейским правительствам посланы грамоты о славной победе. Но пиком этих торжеств стал триумфальный въезд Петра в Москву в сопровождении гвардейских полков, трофеев, пленных шведов во главе со своими генералами.