Осенью 1708 года шведский король Карл ХII с армией в 35 тысяч человек решил начать поход на север Украины. При этом часть шведского войска, около 15 тыс. солдат, стояли гарнизонами в Прибалтике, в Лифляндии, под началом генерала Адама Левенгаупта. Карл XII приказал ему двигаться на соединение с основной королевской армией, но 9 октября (28 сентября по старому стилю) корпус Левенгаупта был разбит русскими войсками в битве при деревне Лесной, недалеко от Могилева. Шведы потеряли примерно 8 тысяч человек убитыми, около тысячи было взято в плен. Левенгаупт смог привести Карлу XII только 6,5 тысячи солдат. Но еще хуже для шведов было то, что русские войска захватили весь обоз с многомесячным запасом продовольствия для шведской армии, артиллерию и боеприпасы.

Постепенно продвигаясь, шведская армия в конце апреля 1709 года осадила Полтаву. Хотя город защищали менее 7 тысяч защитников (среди которых значительную часть составляли вооруженные горожане) и несмотря на многочисленные штурмы, осада затянулась. Стремясь снять осаду, к Полтаве подошли сначала отряды под командованием Александра Меньшикова, затем – основные русские силы во главе с генерал-фельдмаршалом Борисом Шереметьевым. Таким образом, под Полтавой собралась вся русская армия, в которую прибыл и Петр I.  К 6 июля (25 июня по старому стилю) русская армия, переправившись через реку Ворсклу, подошла к Полтаве и встала лагерем у города.

Петр I, решив дать шведам генеральное сражение, приказал построить земляные укрепления – редуты. В царском приказе перед началом битвы говорилось: «Вот пришел час, который решит судьбу Отечества… Не должна вас также смущать слава неприятеля, будто бы непобедимого, которой ложь вы сами своими победами над ним неоднократно доказывали». Общая численность русской армии достигала 60 тысяч человек (хотя в битве принимали участие не более 25 тысяч), на вооружении стояли более сотни артиллерийских орудий.

Карл XII решился атаковать, располагая всего примерно 25 тысячами солдат и 40 пушками. При этом самонадеянность шведского короля была такова, что он заранее обещал свои солдатам обед в русском лагере, где их ждут обильное угощение и богатая добыча.

Ночью 8 июля (27 июня по старому стилю) 1709 года шведы двинулись вперед и к утру были у русских редутов, сходу взяв два из них, но затем наступление остановилось. В это же время пушечное ядро попало в носилки Карла XII (он был до того ранен в ногу), не причинив ему вреда. Во время небольшой передышки русские войска вышли из лагеря и построились в две линии, с пехотой в центре и кавалерией на флангах. Шведы выстроились в одну линию и пошли вперед, встреченные артиллерийским огнем. После обмена ружейными залпами началась рукопашная схватка. Наступающая на правом фланге (где находился король) шведская пехота «отодвигала» русские полки. Положение спас сам Петр I, который во главе одного из батальонов бросился закрывать опасную брешь. При этом шведской пулей была пробита царская шляпа. Тем временем на правом фланге сложилась обратная ситуация. Там шведы стали отступать, обнажив центр своих боевых порядков. Как писал А.С. Пушкин в поэме «Полтава»: «Ура! мы ломим; гнутся шведы. О славный час! о славный вид! Еще напор — и враг бежит». Действительно, вскоре центральные шведские батальоны были окружены и полностью уничтожены, шведы начали общее отступление, затем превратившееся в настоящее бегство. Карл XII, осознавая неизбежность поражения, покинул поле боя и бежал в Турцию.

Потери шведов в битве составили более 9 тысяч человек убитыми и около 3 тысяч пленными. Русские потеряли примерно 1,3 тысячи убитыми и немногим более 3 тысяч ранеными.

11 июля (30 июня по старому стилю) у местечка Переволочна, у слияния Ворсклы и Днепра, остатки отступающей шведской армии были настигнуты русскими войсками и капитулировали. В плен попали 16 тысяч человек, которых в декабре 1709 года вместе с прочими пленными шведами провели «парадом» по Москве, демонстрируя успехи русской армии.

После победы царь Петр устроил пир, на который пригласил и пленных шведских генералов. Он говорил: «Вчера брат мой король Карл звал вас отобедать в моем шатре, но сегодня не пришел и слова не сдержал, хотя я его очень ожидал. Но когда Его Величество не изволил явиться, тогда я прошу вас пожаловать в мой шатер».

Победа в Полтавском сражении подорвала мощь шведской армии и склонила чашу весов на сторону России. После Полтавы началось время русских побед в Северной войне.