В 1708 году шведская армия вступила на территорию России, чтобы захватить Москву. В сентябре русской армии удалось разгромить шведов в битве при деревне Лесная. Карл 12 не получив подкрепления повернул свои войска на Украину, богатую хлебом, в надежде на помощь гетмана Мазепы.
25 апреля 1709 года Карл с 30-тысячной армией осадил 40-тысячный гарнизон Полтавы. Защитники крепости удерживали его в течение 2 месяцев до подхода основных русских войск во главе с Петром. 27 июня произошла решающая битва. Сначала шведам удалось преодолеть часть редутов и потеснить русскую конницу и пехоту. Атака шведов, встреченная мощным огнем русской артиллерии, захлебнулась. Шведы стали отступать, а русская пехота и кавалерия перешли в наступление. Русские потери составили 1345 человек убитыми и 3 тыс. ранеными. Шведы потеряли 9 тыс. солдат. Карл и Мазепа бежали во владения Турции.
Полтавская победа была классическим образцом активной обороны и контрнаступления русских войск, в результате которого была уничтожена сухопутная армия Швеции. Победа над шведами укрепила международный авторитет России. На ее сторону в войне перешли Польша и Дания. К Северному союзу присоединилась Пруссия.