Русская осадная армия, которая находилась в с. Ладога, двинулась в сторону Нотебурга 3 октября 1702 года, и увеличивалась по пути за счёт подразделений, ждавших её на подступах. Первые гвардейцы Преображенского полка во главе с Петром I появились под Нотебургом 7 октября 1702 года. Русские предложили шведам сдать крепость. Шведы ответили отказом.
Тогда русская армия со стороны левого берега реки Невы атаковала и захватила небольшое укрепление, прикрывавшее подходы к Нотебургу. Отбить его шведам не удалось, а русские солдаты не только приобрели дополнительный штурмовой опыт, но и убедились в том, что при правильной постановке дела шведская армия не так страшна и ее вполне можно бить. К тому же именно в захваченном укреплении расположилась русская осадная артиллерия, которой Пётр Алексеевич отводил особую роль в штурме Нотебурга. В ходе бомбардировки, которая началась 12 октября, надо было нанести как можно больший урон крепостным стенам, чтобы облегчить штурмующим подъём на них и проникновение внутрь крепости. А затем предстояло уничтожать внутренние постройки, лишая обороняющихся возможности оказать по-настоящему серьёзный отпор.
С первого раза русским артиллеристам, имевшим не очень большой опыт обращения именно с осадной артиллерией, нанести удар ни по одной крупной бреши в крепостных стенах, не удалось. А вот со второго раза артиллеристы справились отменно. На шестой день после начала бомбардировки в крепости вспыхнул пожар, уничтоживший почти всё внутреннее пространство. Дело дошло до того, что после начала пожара к Петру I прибыли переговорщики из Нотебурга, доставившие ему обращение супруги шведского коменданта. Та в изысканных выражениях просила позволить ей и другим жёнам офицеров покинуть крепость, поскольку высокородные дамы страдают от огня и дыма. Русский царь согласился на это при условии, что покидающие крепость женщины заберут с собой и своих мужей, но на это предложение осаждённые ответили отказом, как и на все предыдущие.
Армия в Божьей воле Десятидневная бомбардировка исчерпала запас боеприпасов для осадных орудий, да и сами они были уже весьма изношены. Продолжать обстрел становилось невозможно. К тому же затянувшаяся подготовка к штурму увеличивала риск, что к крепости подтянутся основные шведские силы, и поэтому вечером 21 октября царь Пётр отдал приказ о прекращении обстрела и атаке пехоты на крепостные стены.
Она началась в ночь на 22 октября с переправы на берег острова Ореховый небольшой группы добровольцев. Они должны были захватить единственную удобную для штурма брешь в крепостной стене и удержать ее до подхода основных сил штурмующих, но эта попытка окончилась неудачей. Некоторые солдаты и даже офицеры решились на бегство с поля боя и бросились к Неве. Чтобы отрезать им обратный путь, князь Голицын приказал оттолкнуть от берега все стоявшие там лодки.
К Петру I тогда добрался один ординарец с приказом, и ответил легендарной фразой:
— Государю скажи, что армия наша теперь не в его, а в Божьей воле! — и продолжил штурм.
Перелом наступил лишь после того, как с противоположного берега Невы на помощь штурмующим добрался отряд, собранный и переправленный на свой страх и риск поручиком бомбардирской роты Преображенского полка Александром Меншиковым. Бросок, которого шведы совершенно не ожидали, заставил их рассредоточить силы, и только тогда русским войскам наконец улыбнулась удача. Еще не успело стемнеть, когда первые русские гвардейцы сумели преодолеть пролом и оказаться внутри Нотебурга, а вскоре крепость объявила о сдаче.
Взятие Нотебурга дорого обошлось русской армии. Она потеряла свыше 600 человек только убитыми и умершими от ран и вдвое больше ранеными. Еще 21 человек, включая 5 офицеров были по приказу Петра казнены за бегство с поля боя. Потери шведов оказались многократно меньшими. Из 450 солдат и офицеров гарнизона крепости убиты были лишь 211 человек и еще 156 ранены. Помимо крепости, сдача которой была официально оформлена 25 октября, победителям досталось около 140 орудий. А вот шведские знамена так и не стали русскими трофеями. Остатки гарнизона Нотебурга были отпущены на родину вместе со знаменами. Согласиться во время переговоров о сдаче крепости на столь почётные для противника условия Петра вынудили не только стойкость и смелость оборонявшихся, но и желание избежать лишних жертв. Победа и так далась слишком дорогой ценой.
Штурм 22 октября 1702 года продолжался с перерывами 13 часов. По поводу взятия крепости Пётр I написал:
Каменно-деревянная крепость Ниеншанц[28] была расположена недалеко от устья реки Невы. Она позволяла контролировать это устье, так как шведы считали её ключом к Ингерманландии.