Началась осада Азова. Длилась она три месяца и лавров русскому оружию не принесла.
Плохая подготовленность похода, поспешность штурмов, непредусмотрительность и неумение в ряде случаев делать минные подкопы, управлять войсками, отсутствие флота заставили Петра отдать в начале октября приказ об отступлении. Оно тоже сопровождалось потерями людей, и немалыми: одни утонули в разлившемся Дону, другие умерли от голода и холода, когда шли степью до Валуек, первого южного русского города, так как, несмотря на раннюю зиму, солдаты были одеты легко, не по сезону. Царь в своих письмах откровенно называет неудавшееся военное предприятие «походом о невзятии Азова».
Уже тогда не в привычке Петра было опускать руки от первой же неудачи. В нем удваивалась и утраивалась энергия. Царь принял немедленные меры: все сухопутные войска поручил командующему генералиссимусу А. С. Шеину; флот, который нужно было еще построить, - адмиралу Лефорту. В ноябре был объявлен сбор дворянского ополчения, а в январе - призыв вступать в армию для участия во втором походе на Азов всех желающих, в том числе холопов, которые тут те получали свободу. Немалое число их воспользовалось царским указом.
В Воронеже и его окрестностях Петр устроил верфи. Выбор места не был случайным. На берегах Дона и Вороны уже издавна строили плоскодонные речные суда - струги. Вокруг Воронежа росли хорошие корабельные сосны. Петр зимой сам направился в Воронеж, несколько месяцев наблюдал за постройкой судов, сам не раз брал в руки топор. Сюда из окраинных городов согнали 26 тыс. плотников. Трудная работа, зимняя стужа, пожары и спешка мешали строительству. 29 января неожиданно умер старший брат Петра царь Иван, и он уехал на похороны, но тут же вернулся, хотя у него сильно разболелась нога. Усилия и мучения дали плоды - к началу апреля начали спускать на воду суда, а изготовили их немало: 23 галеры, 2 корабля, 4 брандера и 1300 стругов. Подходили к Воронежу войска - до 40 тыс. человек. 3 мая длинная вереница судов поплыла вниз по Дону-батюшке. На галере «Принцнпиум» находился капитан Петр Алексеев, сам ее и построивший. У Азова, помимо Петрова войска, должны были воевать казаки, донские и запорожские.
В конце мая русская армия пришла к своим прошлогодним шанцам (окопам), обновила их и начала бомбардировку Азова. 12 тыс. человек днем и ночью возводили земляной вал, с тем, чтобы сделать его выше крепостных стен. Осажденные попытались помешать осуществлению этого замысла, предложенного Гордоном, но их отбили. Город окружили со всех сторон. На реке действовала русская флотилия - сначала казаки на небольших судах уничтожили турецкие корабли, разгружавшиеся у стен крепости; потом русская эскадра вышла в море, где на рейде располагались тяжелые турецкие корабли с 4 тыс. пехоты, запасами продовольствия, снаряжением, и не позволила войти им в устье Дона, пройти к осажденной крепости.
Турецкий гарнизон, видя безнадежность своего положения, капитулировал. Его командование оговорило сохранение жизни своим солдатам и их семьям, выход из крепости вместе с личным оружием. Победителям достались 136 пушек.
Разрушенную крепость, в которую русские вошли 19 июня, Петр после пира и пышного салюта велел восстановить. Вскоре нашли удобную гавань для флота - в Таганроге.
Царь и его войско, оставив в Азове гарнизон, вышли из него в августе. Царь останавливался в имениях своих вельмож, посетил тульские металлургические заводы. С этого посещения и началось, как говорит предание, возвышение тульского мастера Демидова и его потомков, будущих уральских заводчиков, богатейших русских промышленников, баронов. Петр после разговора с ним велел выдать мастеру из казны 5 тыс. руб. для постройки оружейного завода. Демидов с лихвой оправдал надежды, возлагавшиеся на него царем, временем и потребностями быстро развивавшейся страны.
В конце сентября царь приехал в Коломенское, сюда же подошли войска-победители. Армия Петра вернулась в столицу, но не под колокольный звон, как было принято. Колонны торжественно шли через Москву, через Кремль весь день, растянувшись на многие километры. Проходили через специально сооруженную Триумфальную арку высотой до 10 м. Петр, одетый в черное немецкое платье, в шляпе с белым пером, удивляя москвичей, шел за богато разодетым Лефортом. Не таким привыкли видеть своего монарха русские люди до воцарения Петра. Они видели его ранее в образе торжественно застывшего полубога, молчаливого и таинственного. А теперь… царь, как простой солдат, шел пешком, неся на плече протазан *! Далее вышагивали солдаты, они волокли 16 турецких знамен, захваченных в Азове.