Петр заключил союзные договоры против Швеции с Саксонией и Данией, послал в Стамбул посольство на построенном в Воронеже 46-пушечном морском корабле «Крепость» и 8 августа 1700 года заключил с Турцией мир, по которому она признала потерю Азова.

Вскоре началась Северная война, длившаяся 21 год (1700–1721) и во многом определившая характер петровских преобразований.

В первом же сражении под Нарвой шведы нанесли армии Петра сокрушительное поражение. Почти треть армии, около 80 офицеров, среди них 10 генералов, 135 пушек были потеряны.

Но, как и после первого азовского похода, снова ярко проявилась одна из черт характера царя — способность извлекать опыт из неудач, не падать духом, а, наоборот, собрав все силы, бороться дальше.

Царь занялся преобразованием армии и наращиванием военной и экономической мощи.

Как пишет Ключевский, «предоставляя действовать во фронте своим генералам и адмиралам, Петр… набирал рекрутов, составлял планы военных движений, строил корабли и военные заводы, заготовлял амуницию, провиант и боевые снаряды, все запасал, всех ободрял, понукал, бранился, дрался, вешал, скакал с одного конца государства в другой, был чем-то вроде генерал-фельдцейхмейстера, генерал-провиантмейстера и корабельного обер-мастера». При этом он еще находил время проводить реформы.

Результаты этой деятельности сказались очень быстро: с конца 1701 года русская армия стала по частям бить шведскую. В 1702 году Петр штурмом овладел Орешком (переименовав его в Шлиссельбург), были взяты Ям, Конорье и Мариенбург. В 1703 году Петр в устье реки Невы основал город Санкт-Петербург, который должен был стать столицей страны, ее морскими воротами и символом новой России.

В 1704 году пала Нарва; Петр разбил шведов у села Доброго (1708), затем корпус Левенгаупта у деревни Лесной, а 27 июня 1709 года — армию Карла XII у Полтавы. Полтавская победа стала поворотным пунктом в истории России. Международное значение России резко повысилось. Саксония и Дания возобновили с ней союз. К нему примкнула и Пруссия, обязавшаяся не пропускать через свою территорию шведские войска. В 1710 году с Россией заключил союз Ганновер, курфюрст которого в скором времени стал английским королем.

Тем временем русские войска заняли Выборг, Кексгольм (древний русский город Корелу), Ригу и Ревель. Петр сохранил прибалтийско-немецкому дворянству его привилегии, а оно признало присоединение Эстляндии и Лифляндии к России. Этому способствовало и то, что местные дворянство и буржуазия получили крупные выгоды от транзитной торговли России с Западной Европой.

Кроме того, помещики заняли выгодные должности, которые раньше занимали шведы.

Турецкое правительство, опасаясь дальнейшего усиления России, осенью 1710 года объявило ей войну. Расчеты Петра на помощь угнетенных Турцией княжеств Молдавии и Валахии не оправдались. На берегу Прута русская армия была окружена. Петр решил не рисковать армией и вступил в мирные переговоры. России пришлось вернуть Турции Азов и срыть укрепления Таганрога, то есть потерять выход в Азовское море. Петр трезво оценил ситуацию: «Сие дело есть хотя и не без печали, что лишиться тех мест, где столько труда и убытков положено, однакож чаю сим лишением другой стороне великое укрепление, которая несравнительно прибылью нам есть».

Карл XII, несмотря на свое тяжелое положение, на мирные переговоры не соглашался. В 1712–1714 годах русские войска воевали в Финляндии и северной Германии. Вступил в действие и построенный Петром Балтийский флот: 27 июля 1714 года были захвачены 10 шведских кораблей у мыса Гангут. Совместными усилиями русских, саксонцев и датчан северная Германия была очищена от шведских войск, а русская армия и флот изгнали их из Финляндии.

В 1718 году начались переговоры с Швецией о мире. Однако вскоре Карл XII был убит при осаде крепости в Норвегии (принадлежавшей Дании), и переговоры были прерваны. Тем временем русский флот одержал новые победы над шведским войском у островов Эзель и Гренгам (1719). Русские корабли действовали уже у берегов Швеции, высаживая там десанты.

Ведение войны требовало солдат, вооружения, амуниции, денег. Поэтому одновременно с военными действиями Петр вводил новые налоги и проводил реформы, подчиненные военным интересам. Всего в 1700–1720 годах высшим правительственным органом Сенатом (учрежден в 1711 году) было издано более 1700 законодательных актов; большинство их относилось к наиболее важным сторонам жизни страны.

Строились фабрики и заводы, верфи и корабли, каналы и города. Петр основал Академию наук, пригласил в нее выдающихся иностранных ученых; открыл для посещения Кунсткамеру и библиотеку при ней. Столицей был объявлен Санкт-Петербург, куда принудительно переселили знать и купцов. На все эти стройки были мобилизованы десятки тысяч людей, многие из них там погибли. Тысячи людей бежали от налогов, из армии, со строек, их ловили и жестоко наказывали.

В 1703 году Петр сошелся с взятой в плен после штурма Мариенбурга лифляндкой Мартой Скавронской, любовницей фельдмаршала Б.П. Шереметева, который уступил ее Меншикову, а последний — Петру. Марта, получившая при крещении имя Екатерины Алексеевны, завладела сердцем Петра и стала ему необходимой. У них родились 11 детей, но выжили только дочери Анна (была выдана замуж за герцога Голштинского; ее сын, внук Петра, стал императором Петром III) и Елизавета, в 1741 году захватившая при помощи гвардии престол. В 1711 году перед Прутским походом Петр объявил Екатерину своей женой, а в следующем году обвенчался с нею.

Одни огорчения Петру приносил старший сын от первого брака царевич Алексей, натура слабая, бездеятельная, не воспринимавшая отцовских замыслов и свершений.

Конфликт, назревавший годами, вылился в бегство Алексея в Австрию, где он просил императора Карла VI о защите и пристанище. Уговорами, посулами и обманом царевича удалось вернуть в Россию. Начатое следствие над людьми, подстрекавшими его к побегу, выявило открытую оппозицию, а в глазах Петра — серьезный заговор. Алексея подвергли заключению, допросам и пыткам, в которых принимал участие и сам царь. Результатом розыска стал смертный приговор, вынесенный царевичу судом из высших сановников государства, по сути воплотивших в жизнь слова Петра, обращенные к сыну: «Я за мое отечество и людей, и живота своего не жалею, то како тебя, непотребного, жалеть». В июне 1718 года нравственно и физически сломленный Алексей погиб в камере Петропавловской крепости. Была ли его кончина естественной или насильственной, неизвестно. Царь, не показывая признаков скорби, уже на следующий день после смерти сына пил и веселился, празднуя годовщину Полтавской виктории. У него оставалась надежда на малолетнего царевича Петра Петровича, сына Екатерины, но вскоре ребенок умер.

30 августа 1721 года с Швецией был заключен знаменитый Ништадтский мирный договор, по которому Россия получила побережье Балтийского моря от Выборга до Риги: часть Карелии, Ингрию, Эстляндию и Лифляндию с островами Эзель, Даго и Мен, но возвращала Швеции Финляндию, уплачивала около 1,5 миллионов рублей и разрешала шведам закупать и беспошлинно вывозить на 50 000 рублей хлеба из Прибалтики. Победа в Северной войне, создание регулярной русской армии и флота, их боевой опыт сделали Россию одной из сильнейших держав в Европе. Сенат поднес Петру титулы Великого, Отца Отечества и императора всероссийского Московия, которая в глазах Западной Европы была варварской державой, превратилась в Российскую империю, став в международных отношениях на уровень Священной Римской империи (глава ее считался выше королей), Англии, Франции, Голландии и Испании.

После Полтавской победы Петр проводил имперскую политику. Во время персидского похода 1722–1723 годов русская армия заняла Дербент, Баку, Решт. Персия согласилась на их передачу России за помощь шаху против афганских повстанцев. В 1724 году Петр договорился с Турцией о взаимном признании завоеванных персидских владений и предписал произвести разведку путей в Закавказье, которые удобны «для действ воинских». Он искал также пути в Среднюю Азию, думал об Индии, готовил экспедицию на Мадагаскар.