Встретив новый, 1708 г. в Москве, Петр 6 января выехал в Гродно. Но Карл XII его опередил и 26 января был уже в этом городе. 28 января царь прибыл в Вильно. Все гадали, куда пойдут шведы. А Карл XII с 35-тысячным войском двинулся на юго-восток и надолго остановился в местечке Радошковичи, Петр сильно страдал от лихорадки. Но это не мешало ему укреплять Санкт-Петербург и координировать действия русских войск. В июне Карл XII переправился через Березину.

3 июля 1708 г. произошла битва при Головчино. Бон шел 5 часов. Урон с обеих сторон был велик. Русские отступили к Шклову, Могилеву, Копоси. Карл XII вступил тем временем в Могилев. Здесь он на месяц задержался, так и не дождавшись подкрепления.

29 августа русские войска во главе с князем Михаилом Голицыным напали на шведов. Это сражение произошло у местечка Доброго. Русские войска, пожалуй, впервые показали предельную организованность, взаимодействие различных родов войск, маневренность. Шведы потеряли убитыми более 2 тысяч, русские 375 человек. Голицын отвел свои войска к северу.

27 сентября Петр настиг шведов недалеко от города Пропойска у деревни Лесной и 28 сентября с блеском выиграл сражение. У русских под Лесной из 14 тысяч человек было убито 1,1 тысячи, ранено 2,8 тысячи, у шведов из 16 тысяч убито 8 тысяч человек, было множество раненых и плененных. Таким образом, шведский генерал Левенгаупт был крепко побит и явился к королю без войска, провианта и боеприпасов, эта победа подняла дух русских воинов. На севере, в Ингерманландии, понес поражение шведский генерал Любекер. Там погибли 3 тысячи шведов.

При таком благоприятном обороте дела Петр вдруг узнал об измене гетмана Мазепы. Как стало известно позднее, Мазепа еще в октябре 1707 г. письменно предложил Карлу XII свои услуги через Станислава Лещинского. Карл XII надеялся, что гетман приведет с собой 20-тысячное казацкое войско, но ошибся. Изменников набралось лишь около 2 тысяч. Карл XII в лице Мазепы не приобрел сильного союзника.

Шведы 4 ноября перешли Десну, а Петр спокойно отправился в тот же день в Глухов для избрания нового гетмана. 12 ноября проклятие Мазепе провозгласили в Москве, а также на Украине. Гетманом избрали Ивана Ильича Скоропадского.

Карл XII рассылал манифесты по Украине, возбуждая жителей к свержению «тяжкого московского ига». Петр отвечал своими манифестами, в которых призывал население оказывать сопротивление шведам и изменнику Мазепе.

27 мая 1709 г. царь из Азова, где временно находился в связи с возможностью турецкого вторжения, выехал в армию к Полтаве. Здесь Петр стал готовиться к «главному делу» со шведами. Армия шведов была еще сильной, но в ней упала дисциплина, солдаты оказывали неповиновение офицерам. Карл XII по-прежнему искал опасностей. И нашел. Однажды ночью он решил осмотреть русский лагерь и наткнулся на казацкую заставу. Король убил одного из четырех казаков, но кто-то из оставшихся троих ранил его в ногу.

26 июня началось построение войск к битве. В центре находился фельдмаршал Борис Шереметев, на правом крыле стоял генерал-лейтенант Карл Эвальд Ренне, на левом — Александр Меншиков. Артиллерией командовал Яков Брюс. У шведов из-за болезни Карла XII командование принял фельдмаршал Карл Густав Реншельд. Вся пехота находилась под начальством генерал-лейтенанта графа Адама Левенгаупта, кавалерия — генерал-майора Крейца.

27 июня в 9 часов утра началась главная баталия. Непосредственно в сражении участвовало только 10 тысяч русских воинов, а шведов — 16 тысяч. Но резерв русских составлял еще 32 тысячи человек. Подавляющее превосходство у русской армии было в артиллерии: 72 пушки против 4 шведских. Два часа кипел отчаянный бой. Петр был в центре событий. Его шляпа была прострелена. Карла XII с больной ногой возили в коляске. Вдруг ядро ударило в коляску и король очутился на земле. Солдаты подумали, что король убит, и ужас овладел войсками. Карл XII приказал поднять себя и посадить на перекрещенные пики, но увидел, что шведы бегут. Они не слышали голоса своего короля. Главнокомандующий шведской армией Реншельд попал в плен. Вместе с ним в плену оказались и другие генералы.

Шведы оставили на поле боя 9234 человека. Русских при Полтаве погибло 1345 человек, ранено 3290 человек. В русском стане ликовали. Гремели пушки. Царь провозгласил тост за своих «учителей» в военном искусстве —  шведов.

Здесь же, на поле битвы, награждали отличившихся в бою генералов, офицеров, солдат. Меншиков был пожалован чином «второй фельдмаршал» (первым был Борис Шереметев), а также городами Почеп, Ямполь. Президент государственных посольских дел граф Гаврила Иванович Головкин стал канцлером, боярин Петр Павлович Шафиров — подканцлером (вице-канцлером), князь Григорий Федорович Долгорукий — тайным советником. Никита Иванович Репнин, Яков Вилиминович Брюс и другие генералы были награждены орденами Св. Андрея Первозванного. Сам же Петр Алексеевич по решению генералитета, офицеров и рядовых был из полковников произведен в генералы.

А где был шведский король? Что произошло с остатками его войска?

На радостях в этот день русские войска не стали преследовать шведов. 28 июня выяснилось, что враг из-под Полтавы побежал вдоль реки Ворскла к Днепру. Русские наседали. С Карлом XII был и Мазепа, который успел захватить с собой два бочонка золота. На двух лодках они переплыли Днепр. Остатки войска находились под командованием Левенгаупта. Но никто не думал ему повиноваться. Меншиков догнал Левенгаупта и предложил ему сдаться. В плен сдались 59 штаб-офицеров, 1102 обер-офицера, 16947 унтер-офицеров и рядовых. Москва снова торжествовала победу.

Но об окончании воины нечего было и думать. Карл XII успел уйти в турецкие владения. Петр спешил воспользоваться его отсутствием и своей победой, чтобы выгнать Станислава Лещинского с польского престола и утвердиться в Лифляндии и Эстляндии. Борис Шереметев отправился осаждать Ригу, Александр Меншиков отбыл в Польшу.

15 августа 1709 г. Петр из Киева выехал в Польшу. К нему спешил из Саксонии с 11-тысячным польским войском Август II. Польские вельможи пытались помириться с Августом. Лещинский с семейством покинул страну. 20 сентября царь по Висле приплыл в Варшаву. 9 октября Петр и Август заключили в Торне союзный договор. Все старые «обиды» должны быть забыты. Оба государя отреклись от всех прежних претензий. Цель союза — не конечное разорение Швеции, а приведение ее в должные границы и «доставление безопасности ее соседям». Петр обещал передать Августу Лифляндию, в свою очередь Польша соглашалась с тем, что к России, помимо Ингрии, перейдет Эстляндия с Ревелем.

Дания также начала добиваться союза с Россией против Швеции. Такое же желание высказала и Франция. Оборонительный союз с Россией заключила Пруссия.

14 ноября русские войска начали бомбардировку Риги. Первые три бомбы послал сам Петр. Учитывая, что наступила зима, русские войска отошли на зимние квартиры. Ригу оставили осаждать 7-тысячному войску под командованием князя Никиты Репнина. На другой день Петр отбыл в Санкт-Петербург — «святую землю», как называл его Меншиков. В городе была построена церковь Св. Самсона в честь Полтавской битвы. Петром было дано указание строить каменные дома. 6 декабря Петр заложил корабль «Полтава» и отбыл в Москву.

12 декабря в селе Коломенском Петра встретила гвардия. Сюда же свозили всех пленных шведов, взятых под Полтавой. 21 декабря войска с триумфом вошли в Москву. Было построено семь триумфальных ворот, украшенных картинами боев.

После триумфов Петр начал трудиться «во управление гражданских дел». Царь постоянно был в отъездах. В его отсутствие страной управляли бояре. По-прежнему наиболее приближенным к царю оставался Меншиков. Но около Петра появилось новое лицо — кабинет-секретарь Алексей Васильевич Макаров, человек без своего голоса и мнения, он, в силу приближенности к царю, был могущественным, и все вельможи стали обращаться именно к нему. С 1703 г. для иностранной переписки при царе постоянно находился Александр Иванович Остерман, родом из Пруссии.