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 место, которое занимала в 1700 г., примыкая флангами к реке у деревни Юала и близ острова Хампергольма. 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 у 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 4500 человек (30 пехотных полков и 16 конных) при 150 орудиях. Шведский гарнизон Нарвы состоял из 3175 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 этцм Меншиков предложил Петру устроить «маскарад», то есть переодеть четыре полка в синие мундиры, чтобы они походили на шведов. Эти полки и 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 порядке отступили. По русским данным, удалось взять в плен четверых офицеров и 41 солдата. Несколько шведов было убито. Петр был в восторге и повсеместно хвалился своей викторией. Полковник Рен за эту операцию был произведен в генерал-майоры. Но, увы, в целом операция провалилась.
Началась правильная осада крепости. Русское командование решило захватить два северных бастиона крепости — Викторию и Гонор, которые простреливались как с правого, так и с левого берегов Наровы. Для отвлечения внимания противника была запланирована атака на Иван-город, а также имитация атаки ни южные бастионы Триумф и Фортуна. Первое заложение траншей для атаки на правом берегу реки Наровы последовало в ночь на 13 июня. В 750 метрах от бастиона Гонор был построен редут, от которого повели подступы к крепости и ход сообщения назад. В ночь на 16 и на 17 июня русские отрыли подступы на левом берегу Наровы, где в прошлую осаду была мортирная батарея. Осажденные противодействовали работам вылазками и артиллерийским огнем, но не могли остановить приближения подступов к крепости. 25 июня была начата атака на Иван-город. Апраксин, оставив при устье один полк, с остальными войсками подступил к Иван-городу.
17 июля к Нарве из Дерпта прибыл Петр, 18 июля прибыла осадная артиллерия. 30 июля был открыт огонь с возведенных осадных батарей: с пушечной — по бастионам Виктория и Гонор, а с мортирных — по внутренности атакованного фронта и городу. Непрерывный огонь батарей продолжался до 9 августа. До конца осады всего было выпущено 4556 бомб. 30 же июля из Дерпта прибыли пехотные полки, расположились напротив южных фронтов крепости и повели на них ложную атаку.
2 августа главная атака на левом берегу подступами приблизилась к бастиону Виктория. 6 августа была построена шестая батарея (№ 17) на гребне гласиса, чтобы сбить орудия с двойных фланков бастиона Виктория, защищавших подступ к бастиону Гонор. В этот же день обрушился левый фас бастиона Гонор, образовав пологий и широкий обвал. Фельдмаршал Огильви отправил тогда письмо коменданту Нарвы с предложением сдаться, не дожидаясь приступа.
Канонада между тем продолжалась. Русские войска приблизились ко рву. Наследующий день, 7 августа, Горн прислал ответ, в котором говорилось, что он без королевского повеления сдать крепость не может. Ввиду такого ответа в русском лагере собрался военный совет, и решено было штурмовать Нарву 9 августа. Командования войсками возлагалось на фельдмаршала Огильви. Он назначил три штурмующие колонны: генералу Шенбеку было приказано ворваться в бастион Виктория, где тоже была брешь; генералу Чемберсу — двинуться на обвал бастиона Гонор; генералу Шарфу — к равелину напротив бастиона Глория. Еще 8 августа штурмовые лестницы были скрытно поднесены в ближайшие подступы. Напротив бастиона Виктория, у самого контрэскарпа, была поставлена четырехпушечная батарея для стрельбы во время приступа. В ночь на 9 августа в подступы ввели назначенных для штурма гренадер.
Штурм крепости начался по сигналу в 2 часа дня 9 августа 1704 г. Шведы упорно оборонялись, защищая вершины обвалов, подрывая мины и скатывая штурмовые бочки. Но это не остановило русских — уже через 45 минут после начала штурма победители ворвались в Нарву.