Соединившись с остатками войск Левенгаупта и перейдя Десну и Сейм (у Батурина), Карл XII расположил свою армию у Гадяча, Ромен и Лохвицы (на севере нынешней Полтавской губернии). Русская армия, следуя в общем параллельно шведам, шла на Глухов и Путивль и стала на зимние квартиры одновременно со шведами в половине ноября, у Лебедина. Оттуда были высланы отряды к Веприку, Миргороду, Полтаве и Нежину. Такое охватывающее положение давало возможность постоянно тревожить шведов внезапными набегами всю зиму.
Чтоб выйти из своего затруднительного положения, шведский король решил овладеть Белгородом, важнейшим узлом дорог южной России («Муравский шлях»). Однако оба его поиска в этом направлении потерпели неудачу. В первый раз, в декабре, — геройское сопротивление импровизированной крепостцы Веприк (в конце концов взятой) нарушило все расчеты шведов и сорвало их маневр. Во второй раз, в конце января, — тому воспрепятствовали внезапная оттепель, украинский чернозем, в котором увязли артиллерия, обоз, и неутомимые, всюду поспевавшие и везде побеждавшие петровские драгуны.
Зима 1708–1709 годов была лютой, и шведской армии, терпевшей крайнюю нужду во всем и расположившейся частью — за недостатком квартир — биваком в степи, пришлось испытывать то же, что испытывала за три года до того русская армия в Гродно. Мало-помалу, постоянными налетами, к концу зимы русским удалось вытеснить шведов из их первоначального квартирного расположения и заставить их стать между реками Псёл и Ворскла.
К весне 1709 года положение шведов сделалось критическим. Армия их уменьшилась, боевые припасы иссякли, надежды на восстание в Малороссии не удались. Турция все не решалась объявить войну России, Лещинский не был в состоянии оказать помощи… Находясь в крайнем положении, Карл XII решил осадить Полтаву, послушавшись совета Мазепы (бывшим положительно его злым гением), утверждавшего, что в Полтаве шведы найдут продовольствие и большие запасы снаряжения. Король надеялся этим заставить Петра I поспешить на выручку гарнизона и принять битву. Спасти шведов и вывести их из малороссийской западни могла лишь победа. Пути к отступлению были отрезаны, мостов на Днепре не было.
25 апреля Карл осадил Полтаву. Гарнизон под начальством храброго полковника Келина (менее 7000 человек, из коих треть вооруженных мещан) мужественно встретил сильнейшего в пять раз противника (у Карла было еще 33 000, не считая казаков Мазепы). Два месяца длилась геройская оборона. Все штурмы были отбиты, Карл XII лишился примерно пятой части своей армии, израсходовал все боевые припасы и утомил окопными работами свои и без того истощенные войска. Гарнизоном (7700 человек, из коих 2600 мещан) отбито три штурма, из коих последний стоил шведам 1676 человек. Шведская армия надорвала здесь свои силы. Конница Меншикова с половины мая производила диверсии в виду крепости (под Сенджарами отбито свыше 1000 русских пленных гарнизона Веприка и взято 8 знамен и 2 орудия). 15 мая гарнизон мог получить в подкрепление 900 человек и переговариваться с драгунами путем записок, вкладывавшихся в незаряженные бомбы. Осада длилась с 25 апреля по 27 июня — 63 дня. Урон гарнизона за это время — 1186 убитыми и 1720 ранеными, без малого 3000 — две пятых всего состава. Вступив в Полтаву, Петр I снял шляпу перед Келиным.
Силы осажденных все же слабели, и царь двинулся на их выручку. 20 июня русская армия расположилась в 8 верстах от Полтавы, и сражение стало неизбежным. Готовясь к нему, Петр собрал все имевшиеся у него под рукой силы и довел свою армию до 42 000 человек. В то же время Карл, казалось, делал все, чтобы еще больше ослабить свою армию. 21 июня, уже зная, что на днях предстоит решительное сражение, он предпринял последний штурм Полтавы, понеся еще раз тяжкие потери и расстреляв последние артиллерийские снаряды. У него осталось для битвы 28 000 бойцов и всего 4 стрелявших орудия.
27 июня до рассвета шведы атаковали русскую армию, а в полдень расстроенные их толпы искали спасения в бегстве. Передовая русская линия состояла из 6 редутов, занятых двумя батальонами. За редутами стояла конница (17 полков), а за нею в укрепленном лагере пехота и артиллерия (56 батальонов, 72 орудия). На рассвете 27 июня шведы устремились на редуты, но после упорного боя могли взять только два. Шведская конница Рейншильда после 2-часового боя была опрокинута нашей с потерей 14 штандартов. Карл XII приказал пехоте Левенгаупта не задерживаться у редутов, а помочь своей коннице. Пройдя сквозь линию редутов, шведы расстроились (на что и рассчитывал Петр, устраивая эти редуты). Подступив к укрепленному русскому лагерю на 30 саженей, они были отражены картечью и отошли в беспорядке, причем правая их колонна генерала Рооса, атакованная драгунами Меншикова, бежала к самой Полтаве, где в шанцах и положила оружие. Полтава с этой минуты была уже деблокирована. Сражение прекратилось на короткое время, и Петр, ожидая вторичной атаки шведов, вывел часть войск из лагеря, намереваясь охватить шведов с обоих флангов («Канны»). Не дождавшись атаки, царь сам пошел навстречу врагу с 42 батальонами в 2 линии и 17 драгунскими полками на флангах. У шведов осталось всего 18 батальонов в 1 линию, 14 кавалерийских полков и 4 орудия (прочая артиллерия по недостатку в порохе оставлена в полтавских шанцах). Столкновение продолжалось всего полчаса, и в 11 часов все было кончено. Наш урон — 4635 человек, 11 процентов всей армии (1346 убитыми, 3289 ранеными), шведов перебито 9234 и в плен взято 18 746 при 137 знаменах и штандартах, 32 орудиях с фельдмаршалами Рейншильдом и Левенгауптом (в самом сражении взято свыше 3000 пленных, остальные сдались у Переволочны). Полтавская битва классический пример активной обороны — излюбленного способа действия Петра. Петр предполагал дать наступательный бой, но ему пришлось принять оборонительный. Заслуживают внимания отличная фортификационная подготовка поля сражения (редкая для эпохи) и осмотрительность всех действий Петра. Половина шведской армии была перебита либо взята в плен. Другая половина, настигнутая драгунами Меншикова, положила оружие на следующий день у Переволочны. С несколькими всадниками шведский король бежал в Турцию…