Весной 1709 года Карл несколько раз приступал к Полтаве и держал город в сильной блокаде. Пётр двинулся на выручку. 20 июня русская армия переправилась через Ворсклу, расположилась лагерем и стала укреплять его шанцами. Пётр оттягивал начало сражения, дожидаясь прибытия 20 тысяч калмыков, но Карл, узнав об этом, приказал двинуть войско в битву. Рано утром 27 июня ещё до восхода солнца шведы пошли в атаку с намерением опрокинуть русскую конницу, стоявшую перед лагерем. Для этого им пришлось пройти сквозь редуты под сильным огнём русской артиллерии. Русская конница отошла, и шведы угодили под ещё более убийственный огонь из лагеря. Господство русской артиллерии было подавляющим. Карл прекратил преследование и отступил в лес. Тогда русские вышли из лагеря и построились в две линии против шведов. Пётр объехал с генералами всю армию, ободряя солдат и офицеров. «Вы сражаетесь не за Петра, а за государство Петру порученное, - говорил он, - а о Петре ведайте, что ему жизнь не дорога, только бы жила Россия, слава, честь и благосостояние её!»
В 9 часов битва возобновилась. Армии сошлись вплотную, и начался рукопашный бой. Пётр распоряжался в самой гуще, не избегая опасности: одна пуля прострелила ему шляпу, другая попала в седло, а третья повредила крест, висевший на груди. Через два часа шведы дрогнули по всему фронту. Карла с больной ногой возили между солдатскими рядами, как вдруг пушечное ядро ударило в коляску, и король очутился на земле. Солдаты, находившиеся вблизи, подумали, что король убит, и ужас овладел полками. Бегство стало всеобщим. На поле боя осталось до 9 тысяч убитых. Уцелевшая половина шведской армии (около 16 тысяч) под командованием Левенгаупта отступила сначала в лагерь, а потом поспешно отошла к Днепру. Однако переправиться через него было не на чем. Запорожцы едва успели перевезти на лодках Карла и Мазепу, как 30 июня явились русские войска во главе с Меншиковым. Возобновить битву не представлялось возможным. Левенгаупт и все его солдаты сложили оружие. Победа Петра была полной - одна из лучших армий того времени, девять лет наводившая ужас на всю Восточную Европу, перестала существовать. Сам Карл едва успел бежать от преследователей в турецкие владения.
Победа под Полтавой привела к перелому во всей войне. После этого шведы не могли удержаться ни в Прибалтике, ни в Финляндии.
В июне 1710 года русские взяли Выборг, в июле захватили Ригу, в августе перед ними капитулировал Пернов. В сентябре они вынудили к сдаче Кексгольм (древнерусскую Карелу) и Ревель. Лифляндия и Эстляндия были очищены от шведов и перешли под власть России. В 1711 году Пётр имел неудачное столкновение с Турцией и принуждён был возвратить ей Азов и Запорожье. Но зато в 1713 году русские овладели всей Финляндией. В 1714 году состоялось успешное морское сражение у мыса Гангут, в котором шведы опять потерпели поражение.
Война была перенесена на территорию противника. У Петра появилось больше времени для внутренних преобразований. В 1718 году он приступил к учреждению коллегий. Дело это задумывалось царём давно, но сильно замедлилось из-за недостатка в сведущих, образованных людях, которые могли бы поставить дело государственного правления по-новому, на европейский манер. Всех коллегий поначалу считали девять. Каждая из них (в отличие от существовавших до Петра приказов) должна была иметь строго определённый круг обязанностей. Три были «главными», или «государственными» (военная, морская, иностранных дел). Три коллегии ведали финансами (камер-коллегия - доходами, штатс-коллегия - расходами, ревизион-коллегия - контролем). Юстиц-коллегия должна была вести надзор за судами, коммерц-коллегия стала ведомством торговли, а берг- и мануфактур-коллегии должны были ведать соответственно горнозаводской и фабричной промышленностью.
Впрочем, внешние дела не давали Петру полностью сосредоточиться на реформах. В декабре 1718 года пришло известие о смерти Карла XII. Мирные переговоры с его наследниками шли очень медленно. Но постепенно, терпя новые неудачи, шведы становились всё сговорчивее. 3 сентября 1721 года курьер доставил Петру в Выборг заключённый 30 августа мирный трактат. Согласно ему, к России отходили Лифляндия, Эстляндия, Ингрия, часть Карелии с Выборгом, а Швеции возвращалась Финляндия. Тяжелейшая в истории России война, продолжавшаяся более двадцати лет, завершилась полной победой. Торжества по поводу её окончания начались в столице немедленно и продолжались до конца года. 22 октября Сенат решил поднести Петру титулы Отца Отечества, императора и Великого. Даже сильное наводнение в ноябре не прервало праздников, а в конце декабря император отправился праздновать победу в Москву.