Однак цей добре розроблений план не вдався. Петро І, зважаючи на стратегічне та політичне значення Полтави, встиг зміцнити фортецю і значно збільшив її російський гарнізон (до 4200 чоловік). Крім того, для оборони Полтави було залучено 2600 чоловік озброєного місцевого населення (здебільшого козаків Полтавського полку). Комендантом Полтави Петро призначив полковника Келіна.
Шведи, що підійшли до Полтави на початку квітня 1709 року, не могли здобути фортеці ні переговорами, ні штурмом і змушені були 1 травня розпочати її облогу, яка дуже затягнулася, зокрема через брак у шведів важкої артилерії. Кілька штурмів було відбито. Запорожці чимало допомагали шведам: їм, крім різних диверсій, довелося взяти на себе важкі військово-інженерні роботи (копання траншей тощо).
Станіслав і Крассау, зайняті боротьбою з москвофільськими магнатами в Польщі і затримані російським військом на чолі з фельдмаршал-лейтенантом бароном Г. Гольцем, залишалися на Поділлі. 13 травня біля села Лидухів (неподалік Підкаменя) Гольц завдав поразки литовському корпусу Бобруйського старости Яна-Казимира Сапєги, і Лещинський з Крассау відступили до Вісли. Турки та татари вичікували на подальший розвиток подій. І хоч становище Полтави було дуже важке (зокрема, вже бракувало провіанту), але й становище союзників була не легшим.
Все мала вирішити генеральна битва. Карл XII давно чекав на неї, а Петро І до останнього моменту уникав її, обмежуючись лише невеликими військовими операціями та диверсіями. Але важкий стан Полтави змусив його наважитися на генеральний бій. 20 червня головні сили російської армії на чолі з царем і фельдмаршалом Б. Шереметєвим перейшли на правий берег Ворскли і почали укріплювати свій новий табір в околицях Полтави.
Російська армія під Полтавою на час генеральної битви складалася з 61 батальйону піхоти, 24 кавалерійських (драгунських) полків, українського козацького війська на чолі з гетьманом Скоропадським – разом понад 50 тисяч чоловік. Артилерія мала 72 гармати. Козацьке військо перекривало шведам шлях до Дніпра на ділянці від Переяслава до Кременчука.
З боку шведів у майбутній битві могли взяти участь 23 – 24 батальйони піхоти, 41 ескадрон кавалерії (всього до 25 тисяч чоловік) – і тільки 4 гармати (більша частина артилерії не могла бути використана в бою через брак снарядів, крім того, гарматний порох, що його мали шведи, відсирів і був неякісним; зрештою втрата союзниками української артилерії та боєприпасів у Батурині виявилася фатальною). Невелика частина шведської армії (близько 6 тисяч чоловік) була розташована в таборі під Полтавою, а також займала позиції вниз по Ворсклі.
Питання про участь українських військ в Полтавській битві залишається достатньо спірним. На думку Б. Крупницького, більша частина запорожців і козацьке військо Мазепи увійшли до резерву й знаходилися біля села Пушкарівки поруч зі шведською артилерією, обозом і частиною кавалерії. Друга (менша) частина запорожців, разом із кількома шведськими загонами, продовжувала облогу Полтави та тримала лінію ріки Ворскла, зокрема міста Старі та Нові Санжари, Білики і Кобеляки. Ця допоміжна, хоч і досить важлива, роль українського війська цілком зрозуміла: головну його силу становили запорожці (піхота), яким, на думку шведських генералів, не було місця на полі генерального бою, а гетьманське військо складалося переважно з компанійців, тобто кавалерії, що мала свої специфічні завдання – прикривати фланги від ворожої кінноти, а в разі успіху переслідувати відступаючого ворога. Українські війська Мазепи (8 – 10 тисяч вояків включно із запорожцями) мали чимало справ, охороняючи лівий фланг шведів, забезпечуючи головні сили шведської армії від можливості обхідного руху росіян із заходу, а головне, тримаючи в облозі Полтаву, аби убезпечити армію Карла XII від вилазки з боку її гарнізону.
Гетьман Мазепа як досвідчений військовий не міг не бачити, що загальна стратегічна ситуація перед битвою склалася не на користь шведів, які опинилися між ворожою фортецею (Полтава) та основною російською армією і змушені були розділити свої сили. Знав гетьман і про те, що вночі 17 червня при рекогносцировці ворожих позицій його відчайдушний союзник, Карл, якого шведські солдати вважали мало не зачарованим від куль, був серйозно поранений у ногу. Сам керувати боєм він не міг, і головне командування було доручене фельдмаршалові Реншильду, достатньо компетентному офіцеру (з ним у Мазепи та запорожців, судячи з тих небагатьох даних, що ми маємо, склалися непогані стосунки). Проте військовим генієм фельдмаршал не був. Його план наступу на російський табір відзначався прямолінійністю і безмежною вірою в неперевершені бойові якості шведської піхоти в ближньому бою. Допомога українського війська гетьмана Мазепи, зокрема запорожців, які особливо відзначилися своєю хоробрістю в сутичках з росіянами та козаками Скоропадського у травні-червні 1709 року, не могла врятувати безнадійної ситуації, в яку потрапили шведи.