Карл XII рассчитывал на решительную битву с русскими войсками, сконцентрированными в районе нижнего течения Днепра. Желая принудить противника к бою, Карл весной 1709 г. осадил крепость Полтаву, расположенную на притоке Днепра Ворскле. Русские собрались на противоположном берегу реки, постепенно переправились через нее, создали укрепленный лагерь и построили редуты. Силы русских насчитывали около 45 тыс. человек; против них Карл мог выставить лишь 22 тыс. боеспособных солдат, не считая союзников — казаков; такое соотношение сил было обычным при прежних сражениях. Но десять лет военно-организационной работы царя Петра принесли плоды, и его армия была уже не та, что при Нарве. Тем не менее шведы решили дать бой.

В этот момент произошло роковое для шведов событие — Карл XII был ранен пулей в ногу. У короля началась сильная лихорадка. Он был прикован к носилкам и не мог руководить боем. Среди шведского командования имелись разногласия, особенно между Реншельдом и Левенгауптом. План боя, по мнению военных специалистов, был грандиозным. Шведские войска должны были внезапно атаковать русских и заставить их сражаться спиной к реке. Но план был слишком смел, в нем было немало рискованных моментов. Уже в самом начале сражения (Полтавская битва, 27 июня 1709 г.) произошла роковая ошибка вследствие неясности военных приказов шведского командования и неправильной оценки им положения; найти, на кого следует по справедливости возложить ответственность за поражение, теперь совершенно невозможно. Русские не были застигнуты врасплох, и еще при подходе к месту сражения треть шведской пехоты была уничтожена.

Оставшейся части войск пришлось продолжать бой в крайне неблагоприятных условиях, и она была разбита превосходящими силами русской пехоты. Шведская кавалерия не могла оказать помощь пехоте. После разгрома остатки шведской армии под руководством самого короля собрались и отступили в полном порядке, но более 9500 человек было потеряно; из них было убито около 7 тыс. Погибло 300 офицеров, фельдмаршал Реншельд был взят в плен. Сам король с трудом избежал плена. От всей армии осталось, включая инвалидов, пострадавших от зимних морозов, всего около 15 тыс. человек, главным образом кавалерия; разбитая армия отступала на юго-запад, к треугольнику, образованному Днепром и Ворсклой.

Первые дни после Полтавской битвы были тяжелы для шведского высшего командования. Дороги, по которым отступала шведская армия, были плохи, русские преследовали шведов по пятам. Необходимо было немедленно принять какое-нибудь определенное решение. Историки в своих поисках виновника всех бедствий называли либо короля, либо исполнявшего функции главнокомандующего генерала Левенгаупта. Конечно, легче обвинить намеченную жертву, чем проанализировать ту тяжелую обстановку, какая создалась для шведской армии у деревни Переволочни, неподалеку от впадения Ворсклы в Днепр.

Карл XII, чтобы соединиться со шведскими силами, находившимися в Польше, перешел Днепр с отрядом приблизительно в 1300 человек, отдав остальным силам приказ перейти Ворсклу: возможно, что после этого армия должна была направиться в Крым. Но у нее уже не было уверенности в своих силах, и шведские войска численностью в 15 тыс. человек со знаменами, оружием и обозом капитулировали перед намного уступавшей им по численности русской кавалерией под командованием Меньшикова, которая преследовала шведов по пятам от Полтавы. Армия Карла XII перестала существовать. Когда известие о капитуляции дошло до Карла XII, он направился к турецкой границе.

Весть о неслыханной катастрофе, постигшей шведскую армию, быстро распространилась по Европе. Распавшийся в свое время «Северный союз» врагов Швеции снова возродился. В результате войны со сторонниками Лещинского Август вернул себе Польшу, и шведско-польским силам пришлось отступить в шведскую Померанию. Царь Петр начал штурм Выборга. Эта старинная пограничная крепость впервые за все время своего существования, в начале лета 1710 г., капитулировала перед русскими. В том же году пали Кексгольм, Рига, Пернов и Ревель. В 1709 г. Дания напала на Сконе.

Между тем Карл XII находился в Турции. Он все еще не отказался от своих завоевательных планов в отношении России. В течение ближайших лет он с упрямой настойчивостью пытался осуществить их. Но только теперь он пытался найти новые пути для осуществления этих планов, в соответствии со своим положением «гостя» в Турции, где он расположился лагерем в Бендерах (Бессарабия).

А в Швеции тем временем интенсивно работала «комиссия по обороне», созданная государственным советом для защиты страны от врага. Комиссия стремилась снова создать армию; кроме того, значительные силы были оставлены для обеспечения безопасности страны. Было решено немедленно перейти в контрнаступление против датчан в Сконе, где на этот раз жители сохраняли спокойствие (по народному преданию, в волости Ёинге велись переговоры в пользу датчан, но никаких партизанских действий не было), и генерал-губернатор Сконе Магнус Стенбок придерживался метода: «чем раньше напасть на врага, тем лучше». В феврале 1710 г., через восемь месяцев после Полтавской битвы, датская армия отступила за Эресун (после битвы при Хельсингборге).

Был создан новый вариант плана Карла XII для борьбы против России. Карл XII рассчитывал получить помощь Турции; в таком случае шведская армия могла бы поддерживать контакт со своим новым союзником через Померанию и Польшу. Однако нажим «морских держав» и германского императора помешал действиям шведов с севера; да и вообще, осуществление такого плана было чрезвычайно трудно. На южном фронте были вначале достигнуты значительные успехи. Доверенному лицу и другу Карла XII, польскому дворянину Станиславу Понятовскому, удалось установить контакт в Константинополе с придворной партией, дружественной шведам; кроме того, Карл XII вступил в переговоры с ближайшим соседом и врагом России — татарским ханом, который подчинялся турецкому султану.

В результате всех этих дипломатических манипуляций Турция в конце 1710 г. объявила войну России. Летом 1711 г. турецкие войска окружили русскую армию, во главе которой стоял сам царь, на реке Прут, и у шведов пробудилась надежда. Однако заключенный после этого между Турцией и Россией мир не внес существенных изменений в положение вещей. Турция удовлетворилась небольшими уступками со стороны России, которые не облегчали существенным образом положение Швеции. В результате быстрого развития событий и постоянных интриг при турецком дворе враждебное отношение Турции к России, на которое очень рассчитывал Карл XII, не было постоянным. В декабре 1711 г. ему удалось добиться того, что Турция еще раз объявила войну России. Но и это ничего не дало Швеции.

Карл XII не переставал все время убеждать государственный совет в необходимости «быстро выполнять приказы» и послать шведские войска в Германию с целью совместных с Турцией действий. Но еще до того, как началась подготовка к переброске войск в Германию, в апреле 1712 г., был заключен новый мир между «Высокой Портой» и Россией.

Магнусу Стенбоку, благодаря его способности воодушевлять людей и держать их под своим влиянием, удалось получить деньги и корабли даже от несговорчивого шведского купечества. Осенью 1712 г. он бросил шведскую армию в Померанию, чтобы оттуда двинуть ее в Польшу. Но и эти планы Карла XII уже в самом начале потерпели крах, так как датскому флоту под командованием Ульрика Кристиана Юльденлёве удалось уничтожить шведскую флотилию с продовольствием у острова Рюген. Возможно, это было решающим моментом рассматриваемого периода большой войны. Лишенный продовольствия для своего войска, Стенбок не мог продолжать поход в Польшу. Он ограничился тем, что помог Померании, находившейся в тяжелом положении, и победил одну из вражеских армий — датскую — при Гадебуше в декабре 1712 г. Еще до того, в ноябре 1712 г., Карлу XII удалось в третий раз побудить Турцию объявить войну России, но это уже не могло иметь серьезного значения, так как предполагавшееся взаимодействие Швеции с Турцией стало уже невозможным. Стенбок вторгся в Южную Ютландию; в январе 1713 г. он укрылся в голыштейн-готторпской крепости Теннинг. В мае этого же года он вынужден был здесь же сдаться в плен вместе со своим войском.