Перелом в войне наступил в 1707–1708 годах, когда, выведя из «строя» последнего российского союзника – Августа II – и посадив на престол Речи Посполитой своего ставленника Станислава Лещинского, Карл XII взял Гродно и Минск и двинулся на Москву. Он заключил широкий союз с силами в России, недовольными кровавой политикой Петра I: на его сторону перешли запорожские и донские казаки (на Дону в это время как раз бушевало восстание под руководством атамана Кандратия Булавина) и украинцы во главе с гетманом Иваном Мазепой. Мазепа надеялся, что в столкновении Швеции и России Украине удастся вернуть свою утраченную свободу и независимость.
Однако эта коалиция оказывалась недолгой: действуя стремительно и невероятно жестоко, русские каратели уничтожили Запорожскую Сечь (вырезав там поголовно всех, включая женщин и детей) и разрушили резиденцию Мазепы город Батурин (перебив всех его жителей в устрашение непокорным украинцам), в котором хранилось продовольствие и боеприпасы, столь необходимые шведской армии. Четыре тысячи украинцев, пришедшие к Карлу XII вместе с гетманом, и десять тысяч донских и запорожских казаков не могли поправить дела. Тем более, что в 1708 году Пётр нанёс поражение у деревни Лесной шведскому корпусу генерала Левенгаупта, спешившему на соединение с армией короля с огромным обозом. Шведы голодали и остались без боеприпасов под осаждённой ими Полтавой.
В Полтавской битве 27 июня 1709 года сошлись 47 тысяч русских солдат при 102 пушках и 30 тысяч шведских солдат (считая казаков) при 39 пушках. Положение шведов ухудшало то, что, во-первых, их орудия фактически не имели боеприпасов и бездействовали в ходе сражения, а, во-вторых, герой и любимец армии непобедимый Карл XII был тяжело ранен незадолго до битвы и не смог лично возглавить свою армию. Тем не менее шведы отважно напали на русские укрепления, но после долгого, ожесточённого сражения, были отброшены, отступили к Днепру, где были вынуждены капитулировать. Восемь тысяч шведов погибло на поле боя, 16 тысяч сдались в плен. Непобедимая доселе армия перестала существовать, а Карл XII с Мазепой бежали к турецкому султану.
Полтавская битва изменила весь ход войны и соотношение сил в Восточной Европе. Если незадолго до этой баталии Пётр униженно просил Швецию о мире, обещая уступить ей почти всю завоёванную им Прибалтику, то теперь он перешёл к активным наступательным действиям, возглавив восстановленный Северный союз, в который вновь вступили Дания, Саксония, а также Ганновер. Со шведской империей было навеки покончено. Русские войска захватили всю Прибалтику, вступили на территорию Речи Посполитой и Северной Германии, нанесли поражение шведской эскадре в битве у мыса Гангут (1714 г.). При этом голландцы и англичане обучали и вооружали армию Петра I, английский флот оказывал ему активную поддержку (несмотря на наличие торгового и военного договора между Англией и Швецией), поскольку Швеция была стратегической союзницей Франции (их главного соперника), а английским и голландским купцам был нужен прямой доступ к русским рынкам и русское зерно.
Пребывая в эйфории от победы под Полтавой, Пётр I решил воевать на два фронта и неосторожно ввязался в новую войну с Османской Империей. В 1711 году русская армия вторглась в пределы Турции и устремилась к Дунаю, стремясь захватить Валахию и Балканы (Сербию и Грецию). Однако этот Прутский поход закончился катастрофой: русское войско во главе с царём было окружено в степи без воды и продовольствия втрое превосходящими силами турок и капитулировало. Только подкупив турецкого полководца (которого за это султан казнил по его возвращении в Стамбул), Пётр сумел спасти себя от гибели, а свою армию от полного истребления. По условиям мирного договора, туркам возвращался Азов, разрушалась русская крепость в Таганроге, Россия отказывалась препятствовать возвращению Карла XII на родину (в 1718 году отважный король погиб, воюя с Норвегией) и отказывалась вмешиваться в дела Речи Посполитой (последнее обещание, разумеется, не было выполнено).