В Вене Петра застало известие о новом бунте стрельцов, и он поспешил домой. По дороге, в Польше, произошло свидание с польским королем Августом II. И тогда у Петра появилась идея создать вместо неудачного союза против Турции союз против Швеции, чтобы начать борьбу за выход в Балтийское море, за отвоевание земель, утерянных в ходе Ливонской войны. Уже в сентябре 1699 г. в Москве был заключен антишведский союз, куда вошли Россия, Польша и Дания. Но еще до этого события, годом раньше, Петр начал реформы. После подавления стрелецкого бунта и казни тысяч стрельцов Московское стрелецкое войско прекратило свое существование. Началось формирование полков регулярной армии. Петр лично изучал и поправлял уставы, подготовленные А. Вейде на основе изучения австрийской армии, следил за подготовкой войск. Из полков сформировали три дивизии под командованием Головина, Вейде и Репнина. Офицерами в них служили иностранцы, но были и русские из числа близких к царю людей.
Введены были и другие новшества. Обязательным для всех, кроме крестьян и духовенства, стало ношение иностранного платья, бритье бороды, поощрялось обучение ремеслам, создавались многочисленные мастерские, на учебу за границу отправлялись юноши из знатных семей, реорганизовывалось городское управление, была проведена реформа календаря, открылась Навигацкая школа, учрежден орден. Св. апостола Андрея Первозванного, после смерти в 1700 г. патриарха Адриана управление церковными делами перешло к специально созданному Синоду. Все эти преобразования проводились насильственными методами.
Союзники Петра уже воевали со Швецией, а он выжидал, когда будет заключен мир с Турцией, и только после получения известия об этом мире 19 августа 1700 г. объявил войну Швеции. Началась Северная война 1700–1721 гг.
С самого начала все пошло не так, как хотелось. Август II, действуя вяло и нерешительно, не смог взять Ригу; Дания капитулировала, когда там, используя английский и голландский флоты, высадились шведские войска Карла XII; русские войска потерпели поражение под Нарвой. Петру это поражение пошло впрок: ускорилось перевооружение армии, оружие закупалось за границей, поступало с новых русских оружейных заводов, на пушки было перелито много церковных колоколов, создавались новые регулярные полки. С помощью рекрутской повинности за 8 лет под ружье было поставлено 200 тыс. солдат. Пока Петр продолжал свои преобразования, Карл XII упустил возможность расправиться с Россией, гоняясь по Европе за Августом II. В 1701–1702 гг. русские войска подошли к важнейшим портам в восточной Балтике, в 1703 г. заняли Ингерманландию, где в устье Невы был заложен Санкт-Петербург. Там строились крепости, верфи. К 1707 г. Петр упрочил позиции в Прибалтике.
Только тогда Карл XII опомнился, перестал гоняться за Августом и вознамерился взять Москву. Поначалу его поход складывался удачно. Русские войска отступали, но 28 сентября 1708 г. Меншиков в присутствии царя в битве при Лесной разгромил 16-тысячный корпус Левенгаупта. Карл же пошел через Украину, надеясь на помощь гетмана И. Мазепы, который заключил с ним тайный договор. Для Петра переход на сторону врага одного из любимцев, которому он доверял, наделял богатствами и отличиями, был полной неожиданностью. Но за Мазепой, который в октябре 1708 г. присоединился к шведам, пошло лишь несколько старшин, 4 полковника и около 4 тыс. казаков. 27 июля 1709 г. состоялась знаменитая Полтавская битва, в ходе которой шведы были полностью разгромлены, а Карл и Мазепа успели уйти от погони и укрыться в турецких владениях. Но еще до этих событий Петр приказал Меншикову уничтожить столицу гетмана Батурин, что тот и сделал, перебив в городе все население. Вслед за этим на Украине был избран по приказу Петра новый гетман. Им стал Иван Скоропадский.
После этих событий продолжилась борьба в Прибалтике, русские войска вошли в Польшу, к антишведскому союзу примкнул король Пруссии. В 1710 г. к России отошли Лифляндия и Эстляндия. Но в октябре турки, подстрекаемые Карлом XII, начали войну против России. Эта война 1710–1713 гг. сложилась для Петра неудачно. В Прутском походе 1711 г. русская армия, в которой находился и сам царь, попала в окружение. В результате мирного договора Россия потеряла все свои завоевания на юге. Тем временем война на севере продолжалась. В 1713 г. союзники разгромили шведскую армию Штейнбаха, в 1714 г. русский флот разбил шведскую эскадру у мыса Гангут, а затем захватил остров Аланд в 15 милях от Стокгольма. 30 августа 1721 г. был подписан Ништадский мир, по которому Россия получила Лифляндию, Эстляндию, часть Карелии и ряд других территорий.
С окончанием Северной войны Россия была провозглашена империей, сенат удостоил Петра титулом «Отец Отечества», «Император» и «Великий».