В 1699 году был образован союз России с Польшей, Саксонией и Данией против Швеции. Константинопольский договор России с Турцией о 30-летнем перемирии от 3 июля 1700 года позволил России 19 августа того же года объявить войну Швеции. Началась Северная война. Началась она неудачно, под Нарвой 19 ноября 1700 года русские войска разбил шведский король Карл XII. Но через год удалось нанести поражение шведам близ Дерпта, а 11 октября 1702 года взять шведскую крепость Нотебург (Орешек, впоследствии Шлиссельбург).
В 1707 году появились известия, что Карл XII собирается напасть на Москву, и Петр I приказал укрепить Кремль и Китай-город земляными бастионами. Увидев начавшееся строительство оборонительных сооружений, москвичи встревожились. Петр прислал успокаивающую депешу с театра военных действий: «Известно нам здесь учинилось, что у вас на Москве немалый страх произошел, оттого что стали крепить Московские городи; и то нам зело дивно и смеху достойно, что мы час от часу от Москвы далее, а вы в страх приходите». Он посоветовал москвичам избавиться от страхов, веселиться по-прежнему и его не забывать.
Перед бастионами выкопали ров, куда пустили речку Неглинную, а перед Китайгородской стеной уничтожили все строения.
Главной победой России в Северной войне стал Полтавский бой, в котором 27 июня 1709 года шведская армия была разгромлена. Тотчас после Полтавской победы поднялся престиж России и русского царя за границей.
От гонца, посланного с поля битвы, Москва 1 июля 1709 года узнала о разгроме шведов под Полтавой. А через полгода и сам Петр I прибыл в первопрестольный град, чтобы торжественно отметить Полтавскую победу.
Северная война была закончена Ништадтским мирным договором от 30 августа 1721 года. К России были присоединены Лифляндия, Эстляндия, Ингерманландия (Ижорские земли), часть Карелии с Выборгом и часть Южной Финляндии. Через два месяца Петр I принял титул «Отца Отечества, Императора Всероссийского Петра Великого».
Другой исторической вехой деяний Петра I является основание в 1703 году Санкт-Петербурга. Царь теперь редко бывал в Москве, поглощенный войнами и строительством будущей столицы.
В 1712 году город на Неве был провозглашен столицей Российского государства, и главные правительственные учреждения стали переезжать из Москвы в Петербург. Московский Кремль, жизнь которого определялась пребыванием в нем царя, постепенно пустел.
Но правительство продолжало считаться с политическим положением Москвы. В последние годы жизни императора Петра I здесь проходили торжественные празднования Ништадтского мира (с 28 января по 4 февраля 1722 года) и коронование Екатерины (1724 год).
С перенесением главной столицы в Санкт-Петербург и учреждением в 1708 году губерний Москвой стали управлять царские наместники, которые напрямую подчинялись императору и никому более.
В 1716–1717 годах Петр I предпринял вторую поездку в Западную Европу, где пробыл более полутора лет. Больше всего времени он пробыл во Франции, где была достигнута цель его визита: шведский король лишился субсидий из Парижа и вынужден был начать переговоры о мире с Россией. Петр I возвратился в Санкт-Петербург в октябре 1717 года и, дождавшись зимнего пути, направился в Москву, где не был почти восемь лет, – решать судьбу сына Алексея…
Последняя попытка отстранения Петра I от власти была предпринята московским боярством и духовенством в 1717 году. Заговорщики, мечтавшие о возвращении от петровских реформ к любезной им старой жизни, привлекли на свою сторону наследника престола – царевича Алексея. Но их замыслы были раскрыты.
В Москве над Алексеем началось следствие, но его оставили на свободе. Потом он был направлен в Санкт-Петербург, где 14 июня 1718 года его арестовали, подвергнули пыткам, и через два дня после вынесения смертного приговора, 26 июня 1718 года, он скончался при невыясненных обстоятельствах. Радетели старины, желавшие провозгласить его царем, были казнены, а их головы на столбах были выставлены на одной из московских площадей.
В 1721 году на постоянное жительство в Россию приехал грузинский царь Вахтанг IV Леонович с царевичами Бакаром и Георгием и с большой свитой из князей, дворян и слуг. Петр I отвел ему для проживания в Москве сначала Рязанское подворье на Мясницкой улице, а в 1724 году – дворцовое село Воскресенское на речке Пресне. Эта местность вскоре получила название Грузины, и по ней ныне проходят Малая и Большая Грузинские улицы.
В конце января 1722 года после окончания Северной войны и заключения Ништадтского мира император Петр I прибыл в Москву и еще более торжественно, чем после Полтавской победы, отпраздновал здесь успехи своего правления. Устраивались балы, маскарады и потешная прогулка по Москве флота, когда по улицам возили поставленные на колеса суда с поднятыми парусами.