Ранним утром, еще затемно, шведы внезапно напали на русских, чтобы не только сбить их кавалерию, но и занять укрепления. Но русские держались так стойко, что оставили только два начатых ночью и еще не законченных редута, а остальные удержали, отрезали на правом крыле шведской армии шесть батальонов пехоты и несколько десятков кавалерийских эскадронов, загнали их в лес и захватили четырнадцать знамен и штандартов. Карл приказал остальным полкам поспешать на помощь; хотя полки эти крепко побили и потеснили русских, но рассеять их не смогли. Затем на отрезанных в лесу шведов напали генералы от кавалерии — князь Меншиков и генерал-лейтенант Ренцель с пятью полками конницы и пятью батальонами пехоты, наголову разбили их и взяли в плен генерал-майора Шлиппенбаха. Генерал-майор Розен с остатками шведов укрылся у подножия редутного холма, но, окруженный Ренцелем, вынужден был сдаться. Заметив в шведских рядах замешательство, Петр послал полковника Ивана Голицына с тремя батальонами в монастырь на горе, чтобы установить связь с городом, где бы в случае неудачи можно было укрыться. Остальное войско выстроил к бою и приготовился «с божьей милостью» двинуться на главный корпус противника. Однако тот не дождался нападения русских, а выступил сам — так в девять часов утра завязалась генеральная баталия левого крыла русских с правым шведов; вскоре она разгорелась по всему фронту. Всего часа два длился этот первый главный бой. Русские дрались столь храбро, что шведы вынуждены были укрыться в лесу, где они перед этим выстраивались. В плен попали генерал-майор Штаккельберг и Гамильтон, а потом и фельдмаршал Рейншильд и принц Вюртембергский со многими полковниками, офицерами и солдатами, которые сдались вместе с ружьями и конями. На поле боя насчитали девять тысяч двести тридцать четыре вражеских трупа, кроме того, многие пали в окрестных лесах и полях. Шведский король приказал нести себя в бой на носилках, найденных потом простреленными. Да и русский царь, не щадя своей августейшей персоны, все время находился в первых рядах, показывая подчиненным славный пример мужества. Шапка его была прострелена, и в седле нашли застрявшую пулю.
Преследовать бегущих шведов отрядили командира гвардии князя Голицына и генерал-поручика Боура с полками драгун, а на другое утро еще и князя Меншикова. Петр устроил в своей палатке пир для своих, а также и для пленных генералов. Шведский государственный канцлер граф Пипер, видя, что битва проиграна и спастись все равно невозможно, вместе с королевскими секретарями Цедергельмом и Дибеном явился верхом в Полтаву и также был приглашен на устроенное царем пиршество, где уже сидели фельдмаршал Рейншильд и прочие шведские офицеры. Петр воздал хвалу Рейншильду за его отвагу и воинское искусство, пожаловал ему свою шпагу и дозволил носить ее. Двадцать восьмого июня в Полтаву явился шведский генерал-майор Мейерфельд якобы принести от имени короля комплимент по случаю победы. Но у него не было ни королевского послания, ни паспорта, и царь приказал взять его в плен. Позднее Мейерфельда отправили в Стокгольм в обмен на плененного в Нарвской битве генерал-майора Бутурлина.
Двадцать девятого июня русские отслужили благодарственный молебен по случаю одержания победы и трижды палили из мушкетов и пушек. Тридцатого июня сам царь с войском двинулся преследовать разбитого противника. Но шведы, оставив обозы и имущество, бежали столь поспешно, что Меншиков лишь тринадцатого нагнал их у Днепра, где они расположились на отдых у подножия какой-то горы, неподалеку от Переволочны. От пленного квартирмейстера дознались, что Карл в сопровождении нескольких сотен конных всего лишь за три часа до этого с превеликим трудом переправился через Днепр, взяв с собою генерал-майора Шпара и Лагеркрона, а командующим оставленным войском назначил генерала Левенгаупта. Предатель Мазепа еще ранее Карла с несколькими сотнями казаков переплыл Днепр и удрал в турецкие владения. Меншиков с девятью тысячами солдат, не мешкая, подошел к Переволочне и потребовал, чтобы шведы сдались, иначе пощады им не будет. Договор о сдаче подписали рижский губернатор генерал граф Левенгаупт и князь Меншиков. Русские взяли в плен четырнадцать тысяч тридцать солдат, по большей части конных, со всем оружием, артиллерией, казной, знаменами, штандартами и барабанами.
Так в руки русского царя попала та прославленная армия, которая, грабительски колеся по Саксонии, перепугала уже всю Европу; из тех же конных, что сопровождали короля Карла, убегающего в Турцию, преследующие русские убили две сотни, а в плен взяли двести шестьдесят человек вместе со многими высшими офицерами. От этого удара Карл уже не оправился.