В то время шведский флот господствовал в Балтийском море, шведская армия была лучшей в мире, а на шведский престол только что сел юный король Карл XII – гениальный полководец и бесстрашный рыцарь по натуре. Быстро победив и выведя из войны Данию, Карл XII поспешил к Нарве, осаждённой русскими войсками. Пётр I бежал от своего войска, которое, будучи в четыре раза многочисленнее десятитысячного шведского, было наголову разбито и капитулировало 19 ноября 1700 года, сдав противнику знамёна и артиллерию. Эта позорная и сокрушительная «конфузия» продемонстрировала слабость русских войск и, с одной стороны, позволила Карлу XII перебросить силы против Саксонского курфюрста и польского короля Августа II, с которым он сражался до 1707 года (в итоге победив и его), а, с другой стороны, заставило Петра начать реорганизацию армии и обусловленные ею реформы всей жизни страны. Пока Карл XII громил саксонские и польские армии, Пётр I, имея колоссальный перевес сил, неторопливо захватывал шведские крепости в Прибалтике (Нотебург, Ниеншанц, Дерпт, Нарву), основал (в 1703 году) Санкт-Петербург и Кронштадт, ставшие опорными пунктами российской экспансии на Балтике.
Перелом в войне наступил в 1707–1708 годах, когда, выведя из «строя» последнего российского союзника – Августа II – и посадив на престол Речи Посполитой своего ставленника Станислава Лещинского, Карл XII взял Гродно и Минск и двинулся на Москву. Он заключил широкий союз с силами в России, недовольными кровавой политикой Петра I: на его сторону перешли запорожские и донские казаки (на Дону в это время как раз бушевало восстание под руководством атамана Кандратия Булавина) и украинцы во главе с гетманом Иваном Мазепой. Мазепа надеялся, что в столкновении Швеции и России Украине удастся вернуть свою утраченную свободу и независимость.
Однако эта коалиция оказывалась недолгой: действуя стремительно и невероятно жестоко, русские каратели уничтожили Запорожскую Сечь (вырезав там поголовно всех, включая женщин и детей) и разрушили резиденцию Мазепы город Батурин (перебив всех его жителей в устрашение непокорным украинцам), в котором хранилось продовольствие и боеприпасы, столь необходимые шведской армии. Четыре тысячи украинцев, пришедшие к Карлу XII вместе с гетманом, и десять тысяч донских и запорожских казаков не могли поправить дела. Тем более, что в 1708 году Пётр нанёс поражение у деревни Лесной шведскому корпусу генерала Левенгаупта, спешившему на соединение с армией короля с огромным обозом. Шведы голодали и остались без боеприпасов под осаждённой ими Полтавой.
В Полтавской битве 27 июня 1709 года сошлись 47 тысяч русских солдат при 102 пушках и 30 тысяч шведских солдат (считая казаков) при 39 пушках. Положение шведов ухудшало то, что, во-первых, их орудия фактически не имели боеприпасов и бездействовали в ходе сражения, а, во-вторых, герой и любимец армии непобедимый Карл XII был тяжело ранен незадолго до битвы и не смог лично возглавить свою армию. Тем не менее шведы отважно напали на русские укрепления, но после долгого, ожесточённого сражения, были отброшены, отступили к Днепру, где были вынуждены капитулировать. Восемь тысяч шведов погибло на поле боя, 16 тысяч сдались в плен. Непобедимая доселе армия перестала существовать, а Карл XII с Мазепой бежали к турецкому султану.
Полтавская битва изменила весь ход войны и соотношение сил в Восточной Европе. Если незадолго до этой баталии Пётр униженно просил Швецию о мире, обещая уступить ей почти всю завоёванную им Прибалтику, то теперь он перешёл к активным наступательным действиям, возглавив восстановленный Северный союз, в который вновь вступили Дания, Саксония, а также Ганновер. Со шведской империей было навеки покончено. Русские войска захватили всю Прибалтику, вступили на территорию Речи Посполитой и Северной Германии, нанесли поражение шведской эскадре в битве у мыса Гангут (1714 г.). При этом голландцы и англичане обучали и вооружали армию Петра I, английский флот оказывал ему активную поддержку (несмотря на наличие торгового и военного договора между Англией и Швецией), поскольку Швеция была стратегической союзницей Франции (их главного соперника), а английским и голландским купцам был нужен прямой доступ к русским рынкам и русское зерно.