Мазепа и сам уже жалел, что ввязался в эту опасную игру. Его агенты в шведском лагере давали ложные обещания устроить восстание, а полковники по-прежнему считали его послушным слугой царя. Он понимал, что все его интриги могут быть раскрыты в любой момент, и опасался, что шведы, войдя на Украину, будут встречены стихийным восстанием, которое сметет непопулярного гетмана, если он сразу же не заявит, что выступает на стороне захватчиков.
Разгром Шереметева в Головчине, по-видимому, подтолкнул Мазепу к решительным действиям. Он открыл свои изменнические замыслы полковникам Апостолу, Горленко и Ломиковскому (командовал казацкой артиллерией). Он знал, что все эти люди — противники Петра и что во время различных кампаний царские генералы относились к ним свысока. Они все поклялись принять участие в заговоре и перейти на сторону шведского короля.
Позже чешский секретарь Мазепы Орлик раскрыл некоторые детали, касавшиеся условий секретного соглашения, заключенного между «королем шведов, готов и вандалов» и гетманом Украины. Секретарь утверждал, что по этому договору Украина должна была стать независимым государством, возглавляемым его законным правителем — Мазепой. Однако маловероятно, чтобы подобное соглашение Карл подписал еще до своего прибытия на Украину и до того, как Мазепа открыл свое истинное лицо. Скорее всего, Мазепа и Орлик показали заговорщикам черновик соглашения, чтобы убедить их в реальности своих надежд.
В начале сентября Карл XII появился на границе Украины. Каждый день теперь был для Мазепы на вес золота, поскольку царь Петр ожидал, что он начнет немедленные военные действия против шведов. Гетман пообещал шведам сдать крепость Стародуб, но сделать этого ему не удалось, поскольку генерал Лагеркрон опоздал, а русские подкрепления появились еще до того, как гарнизон Стародуба успел сдаться.
29–30 сентября армия Левенгаупта, шедшая на соединение с королем, понесла тяжелые потери в кровопролитном сражении при Лесной. Левенгаупт тем не менее сумел соединиться с армией короля, и в первые недели октября измученные шведы, пришедшие из густых лесов, вторглись в северные районы Украины, где им удалось достать немного провизии для себя и своих лошадей.
Однако обещанное Мазепой казацкое восстание все не начиналось. В то же самое время Мазепа под предлогом болезни отказывался выполнять приказ царя о борьбе со шведами.
В середине октября Петр решил идти на Украину и лично возглавить находившиеся там войска. В Борзну, к гетману отправил Протасьева; тот обнаружил, что Мазепа «серьезно болен», находится «на пороге смерти», и уже вызвал из Киева митрополита, чтобы тот его исповедовал и причастил.
Не успел Протасьев уехать, как к гетману неожиданно явился Войнаровский, его любимый племянник, который напугал дядю до такой степени, что тот решился на опрометчивый поступок. Русская кавалерия под командованием Меншикова занималась разведкой местности между Стародубом и Черниговом. Светлейший князь с нетерпением ожидал прибытия гетмана со своими казаками. Вместо этого явился Войнаровский и сообщил, что его дядя лежит «при смерти», но Меншиков этому не поверил. Подслушав разговоры офицеров Меншикова, Войнаровский узнал, что царский фаворит собирался идти на Батурин и Борзну, чтобы заставить гетмана воевать. Войнаровский ночью ускакал из ставки Меншикова, чтобы предупредить об этом дядю.
«Умиравший» гетман немедленно потребовал лошадей и поскакал галопом в Батурин. Всю ночь старый гетман и его секретарь упаковывали все, что могли вывезти из дворца. До этого Мазепа уже перевез часть своих денег и ценностей в Белую Церковь.
На рассвете 4 ноября гетман во главе своих войск двинулся навстречу шведскому королю, приказав полковнику Чечелу и сердюкам защищать Батурин от русских. На северном берегу Десны Мазепа велел своим казакам встать в круг и произнес речь. Все казаки были уверены, что гетман ведет их на битву со шведами. Но Мазепа попытался убедить их, что если они немедленно не присоединятся к Карлу XII, то шведский король после неизбежной победы над царем отдаст всю Украину под власть Польши. Однако слова гетмана не вызвали у казаков особой радости. Вместе с Мазепой Десну форсировали около 5 тысяч казаков, а последовало за гетманом меньше половины.
Такая пустячная помощь сильно разочаровала шведов. Тем не менее, надеясь, что в будущем дело улучшится, Карл принял гетмана со всеми полагающимися ему почестями в маленьком городке Горки на Десне. Ученый Dux militum Zaporoviensium (запорожский военачальник) обратился к Карлу с речью на своей прославленной церковной латыни; из уважения к его сединам Карл низко склонился перед Мазепой и предложил ему сесть, сам оставшись стоять.
Царь Петр, узнав от Меншикова об измене Мазепы, написал Апраксину: «Хоть это и противно моим привычкам отвечать на твои добрые вести плохими, нужда повелевает явити, что учинил новый Иуда Мазепа, ибо двадцать один год быв в верности, ныне при гробе стал изменник и предатель своего народа».