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 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.
Петр оказался не готов к этой войне и был вынужден ее вести против своего желания. Понадеявшись на союз с Августом II и на помощь единоверных русским подданных султана: сербов, черногорцев, молдаван и валахов – он выступил в поход всего с 40-тысячным войском, рассчитывая, что союзники его выставят в поле еще вдвое больше сил. Однако же на деле оказалось, что только одни черногорцы честно стали на сторону Петра и храбро бились с турками. Польский король медлил, а валахский господарь даже изменил Петру и перешел на сторону султана. Вследствие этого, Петр неожиданно очутился со своим войском перед 200-тысячной армией турок, которые и окружили его со всех сторон на берегах реки Прут. Положение Петра было безвыходное, и гибель всей его армии была бы неизбежна, если бы турки решились атаковать русских, приготовившихся к отчаянной обороне. Но визирь (турецкий главнокомандующий) предпочел вступить с Петром в переговоры, и Петр, находясь в таком угрожающем положении, был вынужден согласиться заключить мир с Турцией (12 июля 1711 г.) на самых невыгодных для России условиях. Петр обязывался возвратить Турции Азов, уничтожить вновь построенные крепости на Азовском море, отказаться от союза с Польшей и позволить Карлу беспрепятственно вернуться в Швецию через Россию.
Но Прутская неудача была вскоре вознаграждена целым рядом успехов на севере, где Петр неутомимо продолжал воевать со Швецией. Одновременно он помогал своим союзникам, Польше и Дании, воевать со Швецией в Померании, в свою очередь вытесняя шведов с северного берега Финского залива, тогда как южный был уже давно в его руках. При этом огромную роль сыграл в этой войне российский флот, который был заложен Петром на Балтийском море, сразу после основания Петербурга. Этот юный балтийский флот всюду одолевал флот шведский. Он овладел с моря городами: Або и Гельсингфорсом. В то же время русские войска нанесли шведам поражение при Таммерфорсе и заняли почти всю Финляндию (25 июня 1714 г.). Вскоре после этого Петр одержал морскую победу над шведским флотом при Гангуте и овладел Аландскими островами. Русские войска оказались так близко от шведской столицы, что шведы стали спешно укреплять ее.