Меньшиков искренне пожалел больного старика и решил сам ехать к гетману. Войнаровский тут же предупредил об этом Мазепу, и тот немедленно выехал из Борзны в Батурин, а из Батурина на следующий день — в Короб, а ещё через день гетман рано утром переправился с отрядом в 1500 человек через Десну и поехал в ставку шведского короля.
Меньшиков не успел доехать до Борзны, как узнал, что гетмана там уже нет. Меньшиков поворачивает в Батурин, но и там «умирающего» Мазепы тоже уже нет. Меньшиков едет в Короб и узнаёт о переправе гетмана через Десну. Тут только Меньшикову окончательно становится ясно то, чего он не хотел даже подозревать. 26 октября Меньшиков известил государя об измене гетмана.
Конечно, Мазепа «оправдывал» своё предательство высокой целью достижения независимости Украины, а не презренным желанием сохранить собственные власть и богатства. 30 октября Мазепа писал стародубскому полковнику Скоропадскому:
В конце письма Мазепа предлагал Скоропадскому уничтожить русский гарнизон в Стародубе и присоединиться к нему.
Предательство Мазепы чрезвычайно поразило Петра. 6 ноября в Глухове по приказу царя новым гетманом был избран оставшийся верным России стародубский полковник Иван Скоропадский.
9 ноября 1708 года в соборной Троицкой церкви был совершён обряд проклятия Мазепы. Духовенство пропело над манекеном Мазепы трижды анафему его имени. Потом с манекена сняли знаки ордена Андрея Первозванного, и палач потащил манекен по улице верёвкою и повесил на виселице. По приказу царя Петра для Мазепы была изготовлена огромная медаль весом в двенадцать фунтов с изображением Иуды и надписью:
К сожалению, гетман-предатель так и не получил эту награду.
Духовенство распорядилось, чтобы по всей Малороссии на церковных дверях прибили объявление, извещавшее, что Мазепа со всеми своими единомышленниками, приставшими к врагам, отлучён от церкви и проклят. Такая же кара грозит всем, кто окажет сочувствие изменникам или пристанет к неприятелю.
К разочарованию короля Карла Мазепа привёл с собой не более четырёх тысяч человек, большинство из которых были совершенно неуправляемые запорожские казаки, немедленно начавшие в шведском стане воровство, пьяные дебоши и убийства. Обещанные гетманом припасы были уничтожены драгунами Меньшикова. Малороссы не поддержали гетмана-предателя. Это старшина стремилась сохранить свои должности и богатства, а простые казаки и народ не желали покоряться иноземным завоевателям.
Карл соединился с остатками войск Левенгаупта и расположил свою армию на севере Полтавской губернии. Зимовка у шведов получилась не такая, на которую они рассчитывали, поверив обещаниям Мазепы. И конница Меньшикова не давала шведам скучать: освободила более тысячи русских пленных и захватила несколько пушек. В отличие от шведов, солдаты Петра не долбили мёрзлую землю и имели всё необходимое.
Изнурённые лютой зимой шведы решили весной 1709 года, следуя совету Мазепы, взять Полтаву. Гетман убедил Карла, что тот захватит в Полтаве большие запасы снаряжения и продовольствия. Осада Полтавы началась в конце апреля. Гарнизон города состоял всего из семи тысяч человек, три из которых составляли вооружённые мещане. У Карла было 33 тысячи солдат, не считая казаков Мазепы, число которых значительно уменьшилось к этому времени в результате непрерывного дезертирства.
Два месяца шведы штурмовали город. Карл потерял пятую часть своей армии и израсходовал почти все боевые запасы! В результате, когда в конце июня Пётр привёл под Полтаву свою армию в 42 тысячи человек, у Карла осталось всего 28 тысяч солдат и боезапас на четыре орудия. Спасти шведов могла только быстрая победа. Однако русские уже были не те, что под Нарвой. Царь Пётр хорошо подготовился к битве и с умом выбрал позицию для так называемой «активной обороны».