Петр, ожидая приближения противника, построил свои войска в 2 линии. В центре он расположил пехоту под командованием генерал-фельдмаршала Б. П. Шереметева, а на флангах — конницу под командованием Р. X. Боура и А. Д. Меншикова. В первой линии пехоты развернулась артиллерия. Я. В. Брюса. Перед боем царь обратился к войскам с речью, в которой призвал воинов забыть на время про себя и биться с врагами во славу и благоденствие России.
Шведы также расположили войска в линейном порядке, однако сил у них явно не хватало, и во 2-й линии встало всего 3 пехотных батальона. Тем не менее, в 9 часов ура они начали сражение, атаковав русскую армию. Первоначально им сопутствовал успех. В центре, где находился сам Петр I с Новгородским пехотным полком, они прорвали линию русских батальонов, однако в бой своевременно вступил второй батальон Новгородского полка во главе с самим царем, и опасный прорыв был ликвидирован. Во время этой атаки пули пробили шляпу царя, чепрак седла его лошади и ударили в нагрудный крест, однако царь остался жив. Этот момент сражения стал переломным. К 11 часам утра шведы начали отступать, и вскоре это отступление превратилось в паническое бегство через Днепр.
Во время Полтавского сражения шведы потеряли убитыми 6900 человек и 2800 человек пленными, среди бежавших было около 1500 раненых. Русские потеряли 1345 человек убитыми и 3290 ранеными.
Через 3 дня после Полтавы, на Днепре у Переволочни были окружены остатки разбитой шведской армии (около 15 тысяч человек). Король Карл XII бросил свою армию и вместе с предателем Мазепой бежал в Турцию.
Победа под Полтавой сокрушила мощь шведского государства на суше, так как сухопутной армии у него уже не было. У Карла пропало прежнее обаяние. Он сразу передал Петру и России то политическое значение, которым до тех пор пользовалась Швеция. Петр воспользовался плодами победы, перенеся войну в Прибалтику: в 1710 г. он взял Выборг, Ригу и Ревель. Русские стали твердой ногой на Балтийском побережье, Петербург теперь был надежно защищен. Были достигнуты и политические успехи: Дания и Саксония снова объявили Швеции войну. Северогерманские владетели стали принимать дипломатическое участие в Северной войне, не вступая пока в открытую борьбу со Швецией. Петр сделался гегемоном Северной Европы.
Политическое преобладание России оставалось неизменным с 1709 г., несмотря даже на неудачу Петра в Прутском походе. Для увеличения своего веса на севере Европы, используя викторию под Полтавой, царь решает ввести в действие свой проект заключения династических матриманиальных браков. 31 октября 1710 г. в Петербурге состоялась свадьба герцога Фридриха Вильгельма Курляндского и принцессы Анны Ивановны, дочери Ивана V Алексеевича, впоследствии императрицы Анны. Через год, 14 октября 1711 г., в Торгау был заключен брак наследника престола Алексея с принцессой Шарлотой Христиной Софией Брауншвейг-Вольфенбюттельской.
После Полтавского поражения Карл XII жил в Турции, и ему не раз грозила выдача в руки Петра. Россия требовала выдачи Карла, а он доказывал туркам своевременность и необходимость для турок войны
Как на грех, одновременно с этим у Петра возобновились болезни, более всего терзавшие его. О расположении духа царя свидетельствует то, что в день его выступления в поход было объявлено, что спутница его жизни Марта Скавронская, впоследствии императрица Екатерина I, с которой он жил с 1705 г. и от которой уже имел двух дочерей, впредь считается законной супругой, хотя официальное заключение брака состоялось только в феврале 1712 г. Не было случайно и то, что Екатерина сопровождала царя и в этом походе.
9 июля 1711 г. у урочища Новые Станилетти на Пруте, которое турки называли Хути, растянувшиеся русские войска сделали остановку на ночлег и ночью были окружены превосходящими силами турок. Армия Петра насчитывала 38000 человек. У турок было 120000, да еще 70 тысяч крымских татар хана Девлет-Гирея.
С утра 10 июля начались атаки янычар, но они были отбиты. Однако русские все равно оказались в тяжелом положении, так как испытывали недостаток в фураже, продовольствии и питьевой воде. Возникла опасность пленения Петра.
