Организовать преследование отступавшего противника удалось лишь вечером, за исключением небольшого количества иррегулярной казачьей и калмыцкой конницы, сопровождавшей на отдалении отступавшую шведскую армию. В первую очередь Петр I приказал вновь выстроить войска перед укрепленным лагерем, отслужить молебен в походной церкви. Царь объехал строй с непокрытой головой и обратился к войскам со следующими словами:
— Здравствуйте, сыны Отечества, чада мои возлюбленные! Потом трудов моих родил вас. Без вас государству, как телу без души, жить невозможно. Вы, имея любовь к Богу, к вере православной, к Отечеству, славе и ко мне, не щадили живота своего и на тысячу смертей устремлялись небоязненно. Храбрые дела ваши никогда не будут забвенны у потомства!
После этого царь устроил в своем шатре тот памятный пир, куда были приглашены и знатные пленники — Пипер, Реншельд и другие.
Лишь поздно вечером в погоню за отступавшей шведской армией был направлен князь Голицын с двумя гвардейскими полками, посаженными на лошадей и шесть драгунских полков генерала Боура. На следующий день их нагнал Меншиков, которому было поручено возглавить разгром шведов. 30 июня русские настигли противника у Переволочны. Король переправился через Днепр накануне, с ним уходили генералы Спарре и Лагеркруна, 80 драбантов, 700 кавалеристов и 200 человек пехоты, не считая Мазепу и его казаков.
Оставшийся за главнокомандующего Левенгаупт принял единственное правильное решение — сдаться. В Переволочне капитулировали (по последним уточненным данным шведского историка П. Энглунда): 1 генерал, 2 генерал-майора, 11 полковников, 16 подполковников, 23 майора, 256 ротмистров и капитанов, 304 лейтенанта, 323 корнета и прапорщика, 18 полковых квартирмейстеров, 27 адъютантов, 12 575 унтер-офицеров и рядовых, из которых 9152 кавалериста, 3286 пехотинцев и 137 артиллеристов. Сюда можно добавить еще 3402 человека нестроевых и штатских, в том числе 1657 женщин и детей. То есть всего 16958 человек из них — 13556 военных. Так армия Петра одержала вторую победу подряд. Расчет за Нарвский конфуз был произведен полностью.
Узнав о бегстве Карла XII и Мазепы, Петр I приказывает немедленно организовать погоню. Меншиков отправляет два драгунских полка — Ярославский и Тверской под командованием князя Г.И. Волконского со следующей инструкцией:
"Идти с Божьей помощью с определенной партией за Днепр, переправиться через оную реку в удобном месте, где можно больше судов сыскать.
Тот поход свой править тем трактом, которым король шведский пошел, проведывая о том его тракте, как можно накрепко и идти со всяким поспешением денно и ночно, не смотря ни на какие трудности, и по крайней мере трудиться его короля шведского догнать.
Буде же Бог поможет, что он господин генерал-майор его короля догонит, и тогда его взять и привести к нам, где мы обретаться будем, а между тем обращаться с ним яко с монархом честно и учтиво.
Ежели при нем, короле, будет изменник Мазепа, и его взять, везти под крепким караулом, и смотреть того, чтобы он каким способом сам себя не умертвил.
Для скорого поспешания брать лошадей по дороге в малороссийских городах, и по местам у всех жителей, а в тоже время оствлять им драгунских присталых и садненных лошадей, тако же и провиант на драгун брать у них же что доведется с нужды по рассмотрению, а излишнего ничего, кроме того, у них не брать, и ни каких своевольств и насилия никому не чинить, и о том во всей своей команде под смертною казнью заказать крепко.
Продолжать тот свой поход до того времени, как его короля шведского нагонит, к чему всягое тщание прилагать, не жалея себя, понеже за то, ежели сие учинить, высокая его царского величества милость ему господину генералу обещается.
Впрочем против сих пунтов чинить, как честному и верному офицеру надлежит. Дано при Переволочне июля 1 дня 1709 года.
P.S. О своем поведении давать нам надлежит почасту".
2 июля Ярославский и Тверской драгунские полки достигли Кременчуга. Некоторую путаницу внес посланец генерала Боура подпрапорщик Московского полка Герасим Рогозин, доставивший устное распоряжение генерала князю Волконскому следовать обратно к армии. Ординарец Боура настиг полки еще на середине пути к Кременчугу. Пока выясняли, пока разобрались, пока нашли необходимое количество судов для переправы через Днепр, драгоценное время уходило, а вместе с ним, уходил от погони и шведский король. Помимо драгун в погоне участвовали и украинские казаки. Полковник Переяславского полка Томара (Тамара) передал Волконскому несколько человек офицеров и солдат, захваченных из отряда Карла XII. На допросе пленные показали, что король имеет намерение соединиться с войсками Лещинского и Крассова, а Мазепа двигается к Бендерам.