С появлением Петра на украинском театре военных действий стало ясно, что русский монарх был готов принять решающий бой. Царская армия насчитывала 58 пехотных и 17 кавалерийских полков, всего 42 500 человек, и сверх того около 100 орудий. Войска шведов состояли примерно из 22000 человек, вооруженных небольшим количеством пушек, в то время как союзники-казаки под командованием гетмана Мазепы находились в резерве. Однако Карлом XII был разработан исключительный план сражения. Пред полагалось ошеломить армию Петра и вынудить ее вести бой, имея за спиной реку. 27 июня (8 июля по н. с.) 1709 г. в 2 часа утра шведские батальоны устремились вперед в неистовой штыковой атаке и уже поколебали передние линии русских, но не смогли их прорвать. После многочасовых ожесточенных боев шведам пришлось признать себя побежденными. Со шведской стороны было убито 7000 человек, попали в русский плен 3000 человек. Потери в царской армии составили 1350 убитыми и 3290 ранеными. Королю Карлу ХП удалось с остатком армии спастись на турецкой территории.
Победа Петра под Полтавой привела к принципиальному перелому в течении Северной войны. После восстановления тройственного союза России, Саксонии-Польши и Дании царь Петр отдал своим войскам приказ положить конец шведскому господству на Балтике. Так, уже в 1710 г. удалось подписать договоры о капитуляции с Ригой, Ливонским орденом, Перцовом, Ревелем и Эстляндским орденом. В договорах о подчинении Лифляндии и Эстляндии царь Петр подтвердил все существовавшие до тех пор привилегии и свободы немецких прибалтийских городов и орденов. Что касается польской Курляндии, то русский монарх хотел усилить свое влияние на немецкое герцогство путем брака одной из своих племянниц. Курляндский брачный план при этом был лишь одним из нескольких проектов династической матримониальной политики русского правителя, которую он вел с 1710 г. 31 октября 1710 г. в Санкт-Петербурге состоялась свадьба герцога Фридриха Вильгельма Курляндского и принцессы Анны Ивановны, дочери Ивана V, впоследствии императрицы Анны. Через год после этого, 14 (25 по н. с.) октября 1711 г., в Торгау был заключен брак наследника престола Алексея с принцессой Шарлоттой Христиной Софией Брауншвейг-Вольфенбюттельской.
За великой победой Петра под Полтавой и его последующими завоеваниями на Балтике с подачи Крымского хана, Карла XII и Мазепы с подозрением следили при дворе султана. 10 (21 по н. с.) ноября 1710 г. русский монарх получил донесение о том, что Турция объявила войну России. Таким образом, создалась новая, опасная для Петра ситуация, которая могла полностью поставить под вопрос успех, достигнутый в Полтаве, так как в этот момент нельзя было ждать никакой помощи от союзников России. Но не только дурное настроение сопровождало царя Петра и его генералов на тяжелом пути к Пруту, на который они вступили против своей воли и на котором их ждало столкновение с великим везирем. Одновременно с этим у русского царя возобновились болезни, больше всего терзавшие его. О расположении духа царя свидетельствует то, что в день его отъезда на фронт было объявлено, что спутницу его жизни Екатерину, впоследствии императрицу Екатерину I, с которой он жил с 1703 г. и от которой уже имел двух дочерей, следует впредь считать законной супругой, хотя официальное заключение брака состоялось только в феврале 1712 г. Поэтому не было случайностью то, что Екатерина сопровождала царя и в этом походе, от которого, вероятно, зависела судьба монарха.
9 (20 по н. с.) июля 1711 г. у урочища Новые Станилешти на Пруте, которое турки называли Хуши, растянувшиеся на многие километры русские соединения сделали остановку и в ночные часы были окружены превосходящими силами турок. Армия Петра насчитывала 38 000 человек, у турок было 120 000 солдат. Положение осажденных казалось безнадежным, царь был близок к отчаянию. Единственным выходом была капитуляция, на которую согласился великий везирь. 12 (23 по н. с.) июля 1711 г. был заключен мирный договор. Исход турецкого похода 1711 г., «Прутское чудо», в высшей степени удивлял уже современников. Условия, продиктованные Петру Портой, были крайне мягкими и неожиданно выгодными для России. Правда, пришлось уступить султану Азов и русский азовский флот, а Петр I обязался оставить Польшу и позволить Карлу XII вернуться в Швецию. Однако в остальном царь сохранил свое прежнее положение властелина мощной империи, включая новые завоевания на Балтике.