С той поры русские уже не давали покоя осаждающим Полтаву. Они беспрестанно нападали на сторожевые посты, то и дело выбивая их из отдельных редутов. Однажды ночью они переправились через Ворсклу, перебили караульных и угнали две тысячи шведских коней, что паслись на лугу. Гарнизон Полтавы по ночам часто делал вылазки, разбивал отряд-другой, а за спиной у шведов русские на глазах противника день и ночь возводили укрепления и в нескольких сотнях шагов от моста строили новые редуты. В это же время в Польше генерал-фельдмаршал Гольц разбил полки бобруйского старосты Сапеги, что еще больше придало отваги русской армии, предвещая успехи в будущем.

Четвертого июня Петр прибыл из Троицкого городка и принял на себя верховное руководство военными действиями полтавской армии. Подполковник Юрлов прислал известие, что он-де с солдатами находится в плену в Сенжарах и что противник там не очень силен. Туда направили генерал-лейтенанта Генскина с отрядом драгун. Увидев идущих на выручку, Юрлов напал на караульных, перебил их и вышел к своим. Пятнадцатого июня генерал-лейтенант Ренне с несколькими отрядами драгун переправился через Ворсклу неподалеку от расположения шведских обозов. Он послал туда пятьсот вовсе не обученных воинов, чтобы выманить шведов из укреплений. Сам шведский король с шестью полками бросился на них и гнался до самого леса, где Ренне с хитрым умыслом укрыл в засаде драгун. Те принялись палить по ним столь «великими залпами», что шведы смешались и обратились в бегство, причем русские преследовали их по всему открытому полю, многих перебили, а затем без больших потерь переправились назад через Ворсклу.

Но все эти мелкие стычки были только прелюдией и подготовкой к генеральному сражению, которого желали как честолюбивый, окрыленный добрыми надеждами русский царь, так и взбешенный и уязвленный шведский король. В ночь на двадцать четвертое июня он с небольшим отрядом сопровождающих выехал разведать русский лагерь. Четыре сторожевых казака, по привычке небрежно развалившись, сидели у костра. Увидев их, Карл соскочил с коня и собственноручно застрелил одного из них. Но остальные в свой черед успели выпалить из мушкетов и ранили короля в ногу. Рана оказалась серьезной, и как знать, может, и она имела значение в великой битве, которая произошла двадцать седьмого июня.

Ранним утром, еще затемно, шведы внезапно напали на русских, чтобы не только сбить их кавалерию, но и занять укрепления. Но русские держались так стойко, что оставили только два начатых ночью и еще не законченных редута, а остальные удержали, отрезали на правом крыле шведской армии шесть батальонов пехоты и несколько десятков кавалерийских эскадронов, загнали их в лес и захватили четырнадцать знамен и штандартов. Карл приказал остальным полкам поспешать на помощь; хотя полки эти крепко побили и потеснили русских, но рассеять их не смогли. Затем на отрезанных в лесу шведов напали генералы от кавалерии — князь Меншиков и генерал-лейтенант Ренцель с пятью полками конницы и пятью батальонами пехоты, наголову разбили их и взяли в плен генерал-майора Шлиппенбаха. Генерал-майор Розен с остатками шведов укрылся у подножия редутного холма, но, окруженный Ренцелем, вынужден был сдаться. Заметив в шведских рядах замешательство, Петр послал полковника Ивана Голицына с тремя батальонами в монастырь на горе, чтобы установить связь с городом, где бы в случае неудачи можно было укрыться. Остальное войско выстроил к бою и приготовился «с божьей милостью» двинуться на главный корпус противника. Однако тот не дождался нападения русских, а выступил сам — так в девять часов утра завязалась генеральная баталия левого крыла русских с правым шведов; вскоре она разгорелась по всему фронту. Всего часа два длился этот первый главный бой. Русские дрались столь храбро, что шведы вынуждены были укрыться в лесу, где они перед этим выстраивались. В плен попали генерал-майор Штаккельберг и Гамильтон, а потом и фельдмаршал Рейншильд и принц Вюртембергский со многими полковниками, офицерами и солдатами, которые сдались вместе с ружьями и конями. На поле боя насчитали девять тысяч двести тридцать четыре вражеских трупа, кроме того, многие пали в окрестных лесах и полях. Шведский король приказал нести себя в бой на носилках, найденных потом простреленными. Да и русский царь, не щадя своей августейшей персоны, все время находился в первых рядах, показывая подчиненным славный пример мужества. Шапка его была прострелена, и в седле нашли застрявшую пулю.

Преследовать бегущих шведов отрядили командира гвардии князя Голицына и генерал-поручика Боура с полками драгун, а на другое утро еще и князя Меншикова. Петр устроил в своей палатке пир для своих, а также и для пленных генералов. Шведский государственный канцлер граф Пипер, видя, что битва проиграна и спастись все равно невозможно, вместе с королевскими секретарями Цедергельмом и Дибеном явился верхом в Полтаву и также был приглашен на устроенное царем пиршество, где уже сидели фельдмаршал Рейншильд и прочие шведские офицеры. Петр воздал хвалу Рейншильду за его отвагу и воинское искусство, пожаловал ему свою шпагу и дозволил носить ее. Двадцать восьмого июня в Полтаву явился шведский генерал-майор Мейерфельд якобы принести от имени короля комплимент по случаю победы. Но у него не было ни королевского послания, ни паспорта, и царь приказал взять его в плен. Позднее Мейерфельда отправили в Стокгольм в обмен на плененного в Нарвской битве генерал-майора Бутурлина.

Двадцать девятого июня русские отслужили благодарственный молебен по случаю одержания победы и трижды палили из мушкетов и пушек. Тридцатого июня сам царь с войском двинулся преследовать разбитого противника. Но шведы, оставив обозы и имущество, бежали столь поспешно, что Меншиков лишь тринадцатого нагнал их у Днепра, где они расположились на отдых у подножия какой-то горы, неподалеку от Переволочны. От пленного квартирмейстера дознались, что Карл в сопровождении нескольких сотен конных всего лишь за три часа до этого с превеликим трудом переправился через Днепр, взяв с собою генерал-майора Шпара и Лагеркрона, а командующим оставленным войском назначил генерала Левенгаупта. Предатель Мазепа еще ранее Карла с несколькими сотнями казаков переплыл Днепр и удрал в турецкие владения. Меншиков с девятью тысячами солдат, не мешкая, подошел к Переволочне и потребовал, чтобы шведы сдались, иначе пощады им не будет. Договор о сдаче подписали рижский губернатор генерал граф Левенгаупт и князь Меншиков. Русские взяли в плен четырнадцать тысяч тридцать солдат, по большей части конных, со всем оружием, артиллерией, казной, знаменами, штандартами и барабанами.

Так в руки русского царя попала та прославленная армия, которая, грабительски колеся по Саксонии, перепугала уже всю Европу; из тех же конных, что сопровождали короля Карла, убегающего в Турцию, преследующие русские убили две сотни, а в плен взяли двести шестьдесят человек вместе со многими высшими офицерами. От этого удара Карл уже не оправился.

Однако он не угомонился: получил деньги от французского посла в Константинополе, занимал, где только мог, трижды пытался втравить турок в новую войну с русскими, но тут все время вмешивались английские и голландские дипломаты, так что замысел короля не осуществился. Наконец и турки не захотели больше терпеть у себя неугомонного и капризного шведского государя и стали выдворять его из своей страны. Они слезно молили его убраться восвояси, оплатили огромные долги, сделанные им, но Карл и не думал слушать, а только требовал еще денег. Тогда султан был вынужден применить силу. В семьсот тринадцатом году две тысячи янычар и двенадцать тысяч татар напали на королевский лагерь в Варнице под Бендерами, перебили стражу и подожгли дом, где жил Карл. Его вынесли из пламени, а затем отправили в Демотику, потом в Демиртаж под Адрианополем, но и в заключении король держался фанфаронски, пока, наконец, в семьсот четырнадцатом году не отправился в Швецию. Двадцать второго декабря он находился в своей Штральзундской крепости, откуда проследовал дальше морем. Швеция была вконец разорена, в военных походах погибло около четырехсот тысяч крестьян, оставшиеся пребывали в бедности, изнемогая под непомерным бременем налогов. И все-таки король сразу же принялся строить новые военные планы. Он задумал завоевать Норвегию и, собрав шестидесятитысячную армию, с большей ее частью отправился на юг соседней страны, а генералу Армфельду с остальными полками приказал напасть на север Норвегии. Одиннадцатого декабря тысяча семьсот восемнадцатого года, штурмуя Фредриксхальскую крепость, Карл пал от пули. Армфельд со своими девятью тысячами солдат пытался уйти обратно в Швецию, но в Тиндальских горах половина его войска погибла от лютых морозов. Трупы погибших привлекли такое множество хищных зверей, что долгие годы спустя охотники со всех краев собирались в этой изобилующей зверьем местности.