Карл решил атаковать русскую армию ночью 27 июня 1709 г. Король планировал внезапным мощным ударом опрокинуть войска противника и разгромить их в скоротечной схватке. Главная роль в ней отводилась кавалерии и пехоте: из-за недостатка пороха и ядер шведская армия могла задействовать в предстоящем сражении только четыре пушки, что вовсе не беспокоило Карла – он всегда больше полагался на холодное оружие и рукопашный бой. Петр располагал ста пушками.
В два часа ночи двадцать тысяч шведов двинулись на русскую армию. Неожиданного нападения не случилось: русские дозоры у Полтавы вовремя предупредили Меншикова. Кавалерия светлейшего князя ввязалась в стычку со шведским авангардом, чтобы дать время Петру привести войска в боевую готовность. Теснимый превосходящими силами, Меншиков просил царя оказать ему поддержку пехотой. Петр не спешил форсировать события, действовал строго по ранее разработанному плану.
Шведы медленно продвигались вперед и когда дошли до редутов, то в темноте сначала приняли их за основные позиции русской армии. Ценою больших потерь им удалось взять два первых из них. Но за ними открылась целая система подобных укреплений, на каждом из которых засело по два батальона пехоты с артиллерией. Ряд последующих ожесточенных шведских атак захлебнулись в крови. Русские редуты оказались для Карла полной неожиданностью. С самого начала сражение пошло не так, как он его себе представлял.
Раненый король находился со своей сражающейся армией, внимательно наблюдал за битвой, полулежа на носилках, притороченных к седлам двух лошадей. Реншильду приходилось считаться с его мнением при отдаче приказов. Убедившись, что штурм укреплений сопряжен с большим количеством жертв, шведское командование отвело войска немного назад, и бросило в атаку по флангам кавалерию. Свободное пространство между лесом и редутами было настолько малым, что оно не могло вместить всю ширину боевого порядка конницы, которая попала под ураганный огонь русских пушек и встречной атаки Меншикова. Одновременно с кавалерией вновь ринулась на редуты колонна шведской пехоты. Рассеянная артиллерийским и ружейным огнем, она оказалась отрезанной от главных сил армии, как и часть кавалерии на флангах. Спасаясь от губительного огня, шесть шведских батальонов и несколько эскадронов укрылись в лесу. Петр приказал Меншикову уничтожить эти силы неприятеля, выделив ему пять батальонов пехоты и столько же полков кавалерии. Светлейший князь блестяще справился с задачей, «перебив одних и пощадив немногих остальных». В сражении под Меншиковым было убито две лошади.
Над полем брани взошло солнце. Царь подтянул оставшуюся у него кавалерию к основным позициям русской армии. Отход русской конницы Реншильд принял за отступление и вновь пошел на штурм. На этот раз шведы прорвались между редутами. Поднятая пехотой и кавалерией пыль, облака дыма от непрерывной пушечной пальбы создали такую плотную завесу, что атакующие не сразу разглядели главные силы русской армии. Продолжая движение вперед, шведы оказались на расстоянии шестидесяти метров от них, когда по приказу Брюса артиллерия почти в упор открыла ураганный огонь картечью из всех стволов, начисто смела одну фланговую колонну, остальные, смешавшись, в панике отступили.
В сражении возникла пауза: Реншильд перестраивал и приводил в порядок свои войска. Петр допускал, что потерпев неудачу на первом этапе сражения при значительных потерях, Карл может уклониться от его продолжения. Царь немедленно вывел армию из лагеря, построил в две линии на расстоянии ружейного выстрела одна от другой, разослал по войскам приказ о готовности немедленно атаковать неприятеля в случае его отхода с занятых позиций, равно и как если шведы будут медлить с очередным наступлением.
Карл и не думал отступать. В восемь часов утра шведы в очередной раз ринулись в атаку под огнем русских орудий. Двумя сомкнутыми колонами они вломились в самый центр русской армии, опрокинули штыками целый полк. Возникла угроза прорыва и расчленение русской армии. В этот решающей момент Петр взял батальон из второй линии, во главе которого сам бросился в контратаку. В ожесточенной схватке одна пуля пробила шляпу царя, другая застряла в седле, третья, попав в грудь, расплющилась о нательный крест. Если он и проявил слабодушие под Нарвой в 1700 году, то в Полтавском сражении искупил его безудержной отвагой в полной мере. Воодушевленные отвагой государя, солдаты стремительным напором ударили в штыки, не только «залатали» брешь в своем войске, но и стали теснить шведов.