В июле 1700 года в Константинополе был заключен договор, по которому Россия получала Азов с прилегающими территориями и вновь построенными крепостями (Таганрог, Павловск, Миус), освобождалась от уплаты ежегодной дани крымскому хану и получила право на дипломатическое представительство в Турции на равных основаниях с другими державами. В августе Россия объявила войну Швеции.
Тайная деятельность Паткуля в значительной степени ускорила процесс создания союза государств против Швеции. Его ставка на Россию как на мощную силу, которая могла обеспечить решающую роль в борьбе со Швецией, оказалась верной. Ему импонировала решимость Петра твердо отстаивать интересы своей страны, реализации которых препятствовала Швеция. Паткуль добровольно вызвался служить России, и Петр с готовностью принял его, зачислил на русскую службу и определил в тайные советники, присвоив ранг чрезвычайного посла и воинское звание генерал-майора.
Своими делами Паткуль доказал, что он действительно располагал большими возможностями. Его обширные связи при дворах союзных государств позволяли ему собирать важную информацию. Разведывательные данные, поступавшие в Москву от лифляндского дворянина, позволяли в значительной степени дополнять представление о конкретных действиях союзников. А Паткуль вел разведку не только в Польше, но и в Пруссии, и в Австрии.
В 1702 году в Москве отметили спад в поступлении информации из Австрии. Там интересы России представлял тогда малоопытный посол князь Петр Алексеевич Голицын, который испытывал затруднения с заведением нужных связей при дворе императора. В частности, он никак не мог наладить отношения с Кауницем, который занимал тогда пост канцлера.
Для оказания помощи Голицыну в Вену был направлен Паткуль. Кауниц, как видное и влиятельное лицо при венском дворе, был человеком надменным и, зная себе цену, не каждого иностранца допускал до своей особы. Тем не менее Паткуль довольно быстро установил контакт с Кауницем и нашел с ним общий язык. К сожалению, в архивах не сохранилось сведений, как Паткуль «обхаживал» Кауница, известно лишь, что австрийский канцлер дал согласие работать в пользу русского царя за определенную мзду. Однако после отъезда Паткуля из Вены Голицыну так и не удалось развить отношения с Кауницем. К тому же и в Москве, в Посольском приказе, был проявлен бюрократический подход — там ожидали вначале информации от Кауница, а потом уже собирались решать вопрос с деньгами.
А Паткуль продолжал активно действовать. Имея хороших информаторов, он в Пруссии, например, сумел перехватить канал переписки прусского двора с королем Швеции. Используя свои возможности, Паткуль собирал информацию о настроениях в высшем чиновничестве и в военной верхушке всех союзных стран.
Петр, получая секретные сведения от Паткуля, внимательно следил за тем, как его союзники по коалиции нарушали договоренности и готовы были вступить в сепаратные переговоры с общим врагом. Он принимал меры по оказанию на них соответствующего воздействия. Усилиям русского царя способствовал и Паткуль. Он имел возможность влиять на прусских министров и тем самым содействовал удержанию Пруссии на позициях союзнических обязательств.
В 1704 году Петр I высоко оценил работу Паткуля и присвоил ему очередное звание — генерал-поручика.
В своих донесениях в Москву Паткуль неоднократно отмечал непоследовательность польского короля в отношении союзнического договора. Летом 1705 года он настойчиво просил Петра принять его для личного доклада по очень важному делу. При этом он просил указать ему любое место, куда он мог бы прибыть с докладом. Петр назвал ему три города — Вильно, Ковно или Гродно. Кроме того, Петр подчеркивал, что если дело столь неотложное, то Паткуль мог бы воспользоваться шифром и передать информацию письменно. Но встретиться им уже не было суждено.
Что тревожило Паткуля, почему он настойчиво хотел увидеть царя и лично доложить ему важную информацию? Скорее всего, он располагал секретными сведениями, которые позволяли предполагать назревавшую измену саксонцев и польского короля. То, что могло вызывать тревогу у Паткуля, произошло в августе 1705 года.
Через имевшуюся у него агентуру Паткуль установил, что польский король отправил к Карлу XII своих министров Имгофа и Фингстейна для ведения сепаратных переговоров. Паткуль не мог скрыть возмущения и выступил с резким протестом перед Августом.
Позиция Паткуля встревожила саксонцев и их ставленника на польском троне. Под предлогом участия в переговорах саксонцы заманили Паткуля к себе и арестовали. Паткулю было предложено молчать обо всем, что ему известно об их предательских планах, дав подписку в обмен на освобождение. Отказ грозил пожизненным заточением.
Паткуль с гневом отверг эту сделку. Тогда саксонцы выдали стойкого прибалта шведам. 10 октября 1707 г. он был колесован шведами, а затем обезглавлен и четвертован.