Шведы шли четырьмя колоннами пехоты, за которыми двигались шесть колонн конницы. Они бросились на конницу Меншикова и овладели двумя недостроенными редутами. Завязалась кавалерийская рубка. Эскадроны русской конницы проявили исключительную храбрость и отбили у шведов четырнадцать знамен. Первым русским трофеем было шведское кирасирское знамя, взятое в бою каптенармусом Нижегородского драгунского полка Авраамом Антоновым.
Но одна конница не могла выдержать напора всего шведского войска. По приказу Петра I она стала отходить вправо от редутов, чтобы дать возможность и время вступить в сражение русской пехоте. Этим маневром конница втягивала шведов в глубь русских позиций, и, когда пехота Левенгаупта подошла к редутам, 72 русские пушки с короткой дистанции открыли по противнику убийственный огонь картечью.
Понеся большие потери, шведы начали отступать. При этом отряды Шлиппенбаха и Рооса, состоявшие из нескольких десятков эскадронов и шести батальонов пехоты, оказались отрезанными от своих главных сил. Меншиков с пятью батальонами пехоты и пятью полками конницы атаковал отрезанный отряд неприятеля и разбил его наголову. Генералы Шлиппенбах и Роос были взяты в плен. Шведы утратили инициативу. Установилось временное затишье. Но это было затишье перед бурей. Начиналась «генеральная баталия».
После разгрома Шлиппенбаха русская пехота была выведена из укреплений и построена в центре войск в две линии под начальством Шереметева. На флангах расположилась конница. Петр объезжал полки, давал приказания и советы, беседовал с солдатами и офицерами, шутил с одними, подбадривал других. Он говорил: «За отечество принять смерть весьма похвально, а страх смерти в бою вещь всякой хулы достойна».
В девятом часу противники стали сближаться. Навстречу русским солдатам двигались исхудавшие, оборванные, но все еще грозные ветераны шведской армии, считавшиеся лучшей в мире. Вскоре колонны молчаливо приближавшихся шведов были обстреляны из русских орудий, затем завязалась ружейная перестрелка. Началось «главное дело».
Как и рассчитывал Петр, колонны врага, стремясь прорвать линию русских войск, обрушились на полк, одетый в серые мундиры новобранцев. Если бы здесь действительно стояли новобранцы, шведы могли бы достигнуть своей цели. Но благодаря мужественному сопротивлению закаленных в боях новгородцев неприятель сумел потеснить только первый батальон Новгородского полка.
Петр I сам повел в бой второй батальон Новгородского полка. Завязалась рукопашная, которая длилась два часа. Одна шведская пуля пробила шляпу Петра I, вторая попала в седло под ним, третья расплющилась о нательный крест. Шведы не выдержали штыкового боя. Лучшие полки неприятеля потеряли половину состава. Русские солдаты и офицеры в «генеральной баталии» проявили беззаветную храбрость, стойкость, презрение к смерти. Шведская пехота дрогнула и начала отступать. Русская кавалерия стала обходить противника с флангов.
Вскоре отступление шведов превратилось в беспорядочное бегство. Войско Карла XII было разгромлено. Оно потеряло более 9 тысяч убитыми и около 3 тысяч пленными. Отступавших преследовал Меншиков. Карл XII и Мазепа с небольшим отрядом спаслись бегством.
Кончилась Полтавская баталия. К Петру I стали подходить почерневшие от порохового дыма, забрызганные кровью солдаты и офицеры. Перед каждым из них Петр опускал свою шпагу, каждого поздравлял с победой. Затем войска были построены в боевом порядке. «…Вы же не щадили жизни своей и на тысячи смертей устремились безбоязненно. Храбрые дела ваши никогда не забудет потомство», — сказал им Петр I.
30 июня у городка Переволочны, на Днепре, Меншиков настиг отступавших от Полтавы шведов. Карл XII с Мазепой успели переправиться через реку. Остатки шведского войска, насчитывавшие около 16 тысяч измученных и отчаявшихся солдат и офицеров, вместе с генералами Левенгауптом и Крейцем сдались в плен десятитысячному отряду Меншикова.
Потери шведов под Полтавой и Переволочной составили 9234 убитыми и около 20 тысяч пленными. Русские потеряли 1345 человек убитыми и 3290 ранеными. Победа, по словам Петра, досталась «легким трудом и малой кровью».