Торжествуя победу под Лесной, как первую «солдатскую пробу», Петр получил известие о том, что гетман малороссийских казаков, Иван Мазепа, изменил ему и перешел на сторону шведов, которых призывал в Малороссию, посулив им обильные запасы и общее восстание всех малороссийских казаков против Петра. Положение царя могло стать весьма опасным, если бы расчеты Карла оправдались, вот почему он и поспешил принять самые энергичные меры предосторожности.
Но оказалось, что примеру Мазепы последовала лишь весьма незначительная часть казаков и небольшая часть запорожцев. Остальные же малороссийские казаки с негодованием отвернулись от изменника и встретили шведов весьма враждебно. Они нападали на шведские отряды и обозы, угоняли лошадей, не давали продовольствия. Это поставило Карла с его 30-тысячным войском в очень трудное положение, которое еще более ухудшилось, когда наступила необычайно суровая зима. В войске стали распространяться болезни и развилась большая смертность. Карл искал выхода из этого положения, стремясь вступить в открытую, решительную битву с Петром; но Петр постоянно от нее уклонялся и в ожидании удобного случая берег войска, ограничиваясь только частными нападениями и мелкими схватками.
Наконец, весной 1709 года, Карл осадил город Полтаву. Петр поспешил на выручку этому городу со всеми своими силами. И вот 27 июня 1709 года, в 4 часа утра, на правом берегу реки Ворсклы произошла знаменитая «Полтавская баталия». Заняв позицию, Петр приказал ее как можно лучше укрепить и подготовил свое войско ко всем случайностям предстоявшей ожесточенной борьбы. Шведы напали первые и думали сломить русских стремительным натиском, но встретили такое сопротивление, которое заставило их попятиться и расстроило боевой порядок. Затем перешли в наступление русские. Битва продолжалась семь часов подряд с величайшим упорством и мужеством с обеих сторон и закончилась около полудня полным поражением шведов на всех пунктах. Шведское войско обратилось в беспорядочное бегство, и сам Карл, накануне раненный в ногу, едва успел избежать плена вместе с Мазепой и несколькими приближенными. Русские упорно преследовали остатки шведской армии, отступавшие под руководством Лёвенгаупта, но Меншиков, нагнав их, вынудил сложить оружие.
Петр недаром торжественно праздновал Полтавскую победу, как событие, которое должно было иметь громадное историческое значение для России. Этой победой было окончательно и навсегда подорвано преобладающее положение Швеции в Северной Европе – на ее место встала Россия. Ближайшим последствием полтавской победы было то, что все побежденные Карлом враги Швеции сразу приободрились и вновь подняли оружие против нее. Возведенный Карлом на польский престол Станислав Лещинский был свергнут Августом II и его партией и вынужден был искать себе убежища во Франции. При этом и Польша, и Дания стали искать союза с Россией, а германские принцы спешили вступить в родство с Петром посредством брачных союзов. Следует отметить, что города, расположенные по Балтийскому побережью и в Карелии: Рига, Пернов, Ревель, Выборг и Кексгольм, узнав о полтавской победе, один за другим стали сдаваться Петру.
Тем временем Карл XII, вместе с Мазепой и другими русскими изменниками, укрылся во владениях турецкого султана и не переставал оттуда угрожать России. Гордый воитель не хотел вернуться в свое отечество побежденным, хотя его присутствие и было бы в данное время гораздо более полезно в Швеции, нежели в Турции. Но он хотел во что бы то ни стало отомстить Петру, как он отомстил Августу II, хотел видеть Петра приниженным и побежденным, а так как у него уже не хватало собственных сил для борьбы с русским царем, то он старался всеми силами склонить султана к войне с Россией. Вскоре Турция объявила войну России и двинула сильное войско к берегам Дуная.