После этого Петра развернул большую программу строительства судов, для финансирования которой ввел новые подати. Землевладельцы объединялись в кумпанства и на свои деньги строили корабли. Чтобы опереться на иностранных специалистов, он отправил на обучение за границу молодых дворян, а вскоре и сам поехал в Европу.
За время полуторагодового путешествия Пётр побывал в Курляндии, Бранденбурге, Голландии, Англии, Саксонии, Австрии и Польше, где изучал военное дело, кораблестроение и технические новинки. В Голландии он лично изучал искусство кораблестроения и обучался на плотника. На бумажной фабрике отлил превосходный лист бумаги, а в Англии освоил технологию производства часов.
Великое посольство не позволило расширить союз против Турции, но сильно повлияло на мировоззрение самого Петра и укрепило его решимость переустройства России по европейскому образцу. Ещё до его возвращения в Россию был подавлен бунт стрельцов, которых казнили, а Софья, её сестра, царевна Марфа, и нелюбимая жена Евдокия Лопухина были пострижены в монахини. Вернувшись в Москву, Пётр заключил мирный договор с Турцией и объявил войну Швеции, которая захватила часть русских земель на Балтийском море.
Начавшаяся в 1700 году Великая Северная война затянулась на 21 год. В 1699 году был создан Северный союз против шведского короля Карла XII, в который вошли Россия, Дания, Саксония и Речь Посполитая. Август II хотел отобрать у Швеции Лифляндию, обещая России возврат земель, прежде принадлежавших русским, – Ингерманландии и Карелии.
Карл XII планировал разбить противников поодиночке, после бомбардировки Копенгагена Дания вышла из войны, но попытки захватить Ригу ему не удались, и он начал войну против России. Армия, подчиненная саксонскому фельдмаршалу герцогу де Кроа, была разгромлена под Нарвой, и шведы решили продолжить войну в Польше.
Однако осенью 1702 года гвардейцы во главе с Петром на двух построенных в Архангельске фрегатах взяли крепости Нотебург (Шлиссельбург), а 1703 году – Ниеншанц в устье Невы, и на острове Котлин разместилась база русского флота крепость Кронштадт. Выход к Балтийскому морю был открыт. В 1704 году после взятия Дерпта и Нарвы Россия закрепилась в Восточной Прибалтике. Но от заключения мира шведы отказались.
В 1706 году Карл XII начал роковой для него поход на Россию. Пройдя территорию Великого княжества Литовского, он не решился наступать на Смоленск, а, договорившись с гетманом Мазепой, двинул войска на юг, чтобы усилить свою армию сторонниками Мазепы.
В сражении при Лесной в сентябре 1708 года Пётр вместе с Меншиковым разгромил шведский корпус Левенгаупта, шедший на соединение со шведской армией. В Полтавской битве в июне 1709 года армия Карла XII была наголову разгромлена. Пётр лично командовал на поле боя, и у него была прострелена шляпа.
Однако в 1710 году в войну вмешалась Турция. После поражения в Прутском походе 1711 года Россия вернула Азов Турции и разрушила Таганрог, но за счёт этого удалось заключить очередное перемирие с турками. Пётр снова вернулся к войне со шведами в 1713 году, и они потерпели поражение в Померании, лишились всех владений в Европе.
Однако Балтийский флот только создавался Россией и сумел одержать первую победу в Гангутском сражении летом 1714 года. В 1716 году Швеция почувствовала опасность вторжения на свои земли, и в 1718 году начались мирные переговоры, но король умер, и шведская королева Ульрика возобновила войну, надеясь на помощь Англии.
Но десанты русских войск в 1720 году на шведское побережье заставили Швецию возобновить переговоры, и 30 августа 1721 года был заключён Ништадтский мир, завершивший 21-летнюю войну. Россия получила выход в Балтийское море, присоединила территорию Ингерманландии от Ладоги до Нарвы, часть Эстляндии, Лифляндии и Карелии и стала великой европейской державой, в ознаменование чего 22 октября 1721 года Пётр по прошению сенаторов принял титул «Отца Отечества, Императора Всероссийского» Петра Великого. В 1724 году он короновал императрицей свою вторую жену Екатерину.
Реформы Петра часто проходили не по планам, а в зависимости от обстоятельств и реакции на них царя. Так было со строительством флота после неудачного штурма Азова или с реорганизацией стрелецкой армию по европейскому образцу. Пётр усовершенствовал бюрократическую систему управления государством, создал Сенат как высший судебный и законодательный орган, коллегии для контроля различных отраслей. Церковь стала контролироваться Синодом, царь отменил многие церковные привилегии и начал обращать в собственность государства церковные земли.