Штурм длился семь часов подряд. Штурмующие продвинулись до палисада перед крепостной стеной и срубили его, в то время как обороняющиеся расстреляли все свои заряды. Стволы их мушкетов так накалились, что нельзя было держать в руках. Русские солдаты взобрались на равелин перед Русскими воротами, повернули шесть шведских пушек к воротам и разбили их. Когда русские овладели Пороховой башней, комендант полковник Шютте решил сдать крепость. Один за другим погибли четыре шведских барабанщика, бивших «шамад» (сигнал к сдаче). Лишь звуки трубы приостановили сражение, и осажденные обратились «со упросительными от всего дерптского гарнизона пунктами», составленными комендантом крепости.
Шютте просил разрешить гарнизону выход «с литаврами, с трубами и со всею музыкою», с распущенными знаменами, шестью пушками, всем огнестрельным оружием и месячным запасом продовольствия. Царь от имени фельдмаршала отправил коменданту не лишенный иронии ответ: «Зело удивляется господин фельдмаршал, что такие запросы чинятся от коменданта, когда уже солдаты его величества у них в воротах обретаются и которые так озлоблены, что едва уняты».
В самом деле, подобные условия были уместны до штурма, а не тогда, когда осажденные лишились выбора. Все же царь разрешил гарнизону покинуть крепость с семьями, пожитками и запасом продовольствия, но без артиллерии. Победителям достались огромные трофеи: 132 орудия, 15 тысяч ядер, большие запасы продовольствия. Но и потери были достаточно велики: до 900 человек убитыми и 2500 ранеными. Осажденные потеряли около полутора тысяч человек убитыми.
Позже прекратила свое существование и сама крепость: в 1708 году Петр, опасаясь с возвращением Карла XII из Саксонии потерять Лифляндию, приказал срыть крепостные укрепления Дерпта, После заключения Ништадского мира он приказал ее восстановить. Лишь в 1772 году крепость окончательно упразднили.
Отпраздновав наскоро взятие «праотеческого города Юрьев», Петр сел на яхту и по реке Амовже, Чудскому озеру и реке Нарове добрался до крепости Нарва.
Еще 26 апреля 1704 года окольничий П.М. Апраксин с тремя пехотными полками и тремя ротами конницы (всего около 2500 человек) занял устье реки Наровы (при впадении реки Росоны). Предусмотрительность русского командования оправдалась: 12 мая шведский адмирал де Пру, подошедший к устью Наровы с эскадрой и транспортными судами, пытался доставить в Нарву подкрепление в количестве 1200 человек и запасы, но,встреченный огнем русских береговых батарей, вынужден был уйти в Ревель.
30 мая русская армия переправилась на левый берег реки Наровы и расположилась лагерем со стороны моря в пяти верстах от Нарвы. Позднее она заняла то самое место, которое уже занимала в 1700 году, примыкая флангами к реке у деревни Юала и близ острова Хампергольм. Четыре драгунских полка обложили собственно Нарву, два полка окружили Иван-город, а остальные войска расположились лагерем в трех верстах от крепости. П.М. Апраксин остался возле устья Наровы. Но русская армия не могла приступить к осаде до подвоза пушек и мортир. Командовал войсками в отсутствие Петра сначала генерал Шенбок, а с 20 июня – фельдмаршал Огильви.
В русской армии после подхода войск Шереметева и прибытия артиллерии насчитывалось до 45000 человек (30 пехотных полков и 16 конных) при 150 орудиях. Шведский гарнизон Нарвы состоял из 31/5 человек пехоты, 1080 конницы и 300 артиллеристов, всего 4555 человек при 432 орудиях в самой Нарве и 128 орудиях в Иван-городе. Комендантом был тот же мужественный и энергичный генерал Горн.
Вскоре после начала осады среди осажденных и осаждающих распространился слух, что на помощь Нарве идет из Ревеля корпус генерала Шлиппенбаха. В связи с этим Меншиков предложил Петру устроить «маскарад», то есть переодеть четыре полка в синие мундиры, чтобы они походили на шведов. Эти полки должны были изображать корпус Шлиппенбаха. Маскарадный отряд во главе с Петром двинулся к крепости. Их притворно атаковали осаждающие во главе с Меншиковым и князем Репниным. На помощь ряженым из крепости вышел небольшой отряд шведских драгун. Русские войска попытались отсечь шведов от крепости. Однако те быстро раскусили обман и в полном порядке отступили. Русским удалось взять в плен четверых офицеров и 41 солдата. Несколько шведов были убиты. Петр был в восторге и повсеместно хвалился своей викторией. Полковник Рен за эту операцию получил чин генерал-майора. Но, увы, в целом операция провалилась.