Пётр посетил Ригу, Кёнигсберг, Бранденбург, Голландию, Англию, Австрию, был намечен визит в Венецию и к папе Римскому.
Посольство завербовало в Россию несколько сотен специалистов по корабельному делу, закупило военное и прочее оборудование.
Кроме переговоров, Пётр много времени посвятил изучению кораблестроения, военного дела и других наук. Пётр поработал плотником на верфях Ост-Индской компании, при участии царя был построен корабль «Пётр и Павел». В Англии посетил литейный завод, арсенал, парламент, Оксфордский университет, Гринвичскую обсерваторию и Монетный двор, смотрителем которого в то время был Исаак Ньютон. Его интересовали прежде технические достижения стран Запада, а не правовая система. Рассказывают, что посетив Вестминстер-Холл, Петр увидел там «законников», то есть барристеров, в их мантиях и париках. Он спросил: «Что это за народ и что они тут делают?». Ему ответили: «Это все законники, Ваше Величество». «Законники! — удивился Петр. — К чему они? Во всем моем царстве есть только два законника, и то я полагаю одного из них повесить, когда вернусь домой». Правда, посетив инкогнито английский парламент, где ему перевели выступления депутатов перед королём Вильгельмом III, царь сказал: «Весело слышать то, когда сыны отчества королю говорят явно правду, сему-то у англичан учиться должно».
Великое посольство главной цели не достигло: коалиции против Османской империи создать не удалось из-за подготовки ряда европейских держав к Войне за испанское наследство (1701—1714 годы). Однако благодаря этой войне сложились благоприятные условия для борьбы России за Балтику. Таким образом, произошла переориентация внешней политики России с южного направления на северное.
В июле 1698 года Великое посольство было прервано известием о новом стрелецком мятеже в Москве, который был подавлен ещё до прибытия Петра. По прибытии царя в Москву (25 августа) начался розыск и дознание, результатом которого явилась единовременная казнь около 800 стрельцов (кроме казнённых при подавлении бунта), а впоследствии ещё нескольких сотен вплоть до весны 1699 года.
Царевна Софья была пострижена в монахини под именем Сусанны и отправлена в Новодевичий монастырь, где провела остаток своей жизни. Та же участь постигла и нелюбимую жену Петра — Евдокию Лопухину, которую насильно отправили в Суздальский монастырь, даже вопреки воле духовенства.
За 15 месяцев пребывания за рубежом Пётр многое повидал и многому научился. После возвращения царя 25 августа 1698 года началась его преобразовательная деятельность, направленная вначале на изменение внешних признаков, отличающих старославянский уклад жизни от западноевропейского. В Преображенском дворце Пётр вдруг стал резать бороды вельможам, и уже 29 августа 1698 года был издан знаменитый указ «О ношении немецкого платья, о бритии бород и усов, о хождении раскольникам в указанном для них одеянии», запретивший с 1 сентября ношение бород.
«Я желаю преобразить светских козлов, то есть граждан, и духовенство, то есть монахов и попов. Первых, чтобы они без бород походили в добре на европейцев, а других, чтоб они, хотя с бородами, в церквах учили бы прихожан христианским добродетелям так, как видал и слыхал я учащих в Германии пасторов».
Новый 7208-й год по русско-византийскому календарю («от сотворения мира») стал 1700-м годом по юлианскому календарю. Пётр же ввёл и празднование 1 января Нового Года, а не в день осеннего равноденствия в сентябре, как праздновалось ранее. В его специальном указе было записано:
«Поелику в России считают Новый год по-разному, с сего числа перестать дурить головы людям и считать Новый год повсеместно с первого января. А в знак доброго начинания и веселья поздравить друг друга с Новым годом, желая в делах благополучия и в семье благоденствия. В честь Нового года учинять украшения из елей, детей забавлять, на санках катать с гор. А взрослым людям пьянства и мордобоя не учинять — на то других дней хватает».
После возвращения из Великого посольства царь начал готовиться к войне со Швецией за выход к Балтийскому морю. В 1699 году был создан Северный союз против шведского короля Карла XII, в который помимо России вошли Дания, Саксония и Речь Посполитая во главе с саксонским курфюрстом и польским королём Августом II. Движущей силой союза было стремление Августа II отобрать у Швеции Лифляндию. За помощь он обещал России возврат земель, прежде принадлежавших русским (Ингерманландии и Карелии).
Для вступления в войну России было необходимо заключить мир с Османской империей. После достижения перемирия с турецким Султаном сроком на 30 лет Россия 19 августа 1700 года объявила войну Швеции под предлогом отомщения за обиду, оказанную царю Петру в Риге.
План Карла XII заключался в том, чтобы поодиночке разбить противников с помощью ряда быстрых десантных операций. В скором времени после бомбардировки Копенгагена, Дания 8 августа 1700 года вышла из войны, ещё до вступления в неё России. Неудачно закончились попытки Августа II захватить Ригу.
Поражением русской армии закончилась попытка захватить крепость Нарву. 30 ноября 1700 года (по нов. стилю) Карл XII с 8500 солдатами атаковал лагерь русских войск, и полностью разгромил 35-тысячную неокрепшую русскую армию. Сам Пётр I уехал от войск в Новгород за 2 дня до того. Посчитав, что Россия достаточно ослаблена, Карл XII ушёл в Ливонию, чтобы направить все силы против основного, как ему казалось, противника — Августа II.
Однако Пётр, наскоро реорганизовав армию по европейскому образцу, возобновил боевые действия. Уже в 1702 году (11 (22) октября) Россия захватила крепость Нотебург (переименована в Шлиссельбург), а весной 1703 года — крепость Ниеншанц в устье Невы. Здесь 16 (27) мая 1703 года началось строительство Санкт-Петербурга, а на острове Котлин разместилась база русского флота — крепость Кроншлот (впоследствии Кронштадт). Выход к Балтийскому морю был пробит. В 1704 году были взяты Нарва, Дерпт, Россия прочно закрепилась в Восточной Прибалтике. На предложение заключить мир, Пётр I получил отказ.
После низложения Августа II в 1706 году и замены его польским королём Станиславом Лещинским, Карл XII начал роковой для него поход на Россию. Захватив Минск и Могилёв, король не решился идти на Смоленск. Заручившись поддержкой малороссийского гетмана Ивана Мазепы, Карл двинул войска на юг из продовольственных соображений и с намерением усилить армию сторонниками Мазепы. 28 сентября 1708 года у деревни Лесной шведский корпус Левенгаупта, шедший на соединение с армией Карла XII из Лифляндии, был разбит русской армией под командованием Меньшикова. Шведская армия лишилась подкрепления и обоза с военными припасами. Позднее Пётр отмечал годовщину этой битвы как поворотный момент в Северной войне.
В Полтавской битве 27 июня 1709 года армия Карла XII была наголову разгромлена, шведский король с горсткой солдат бежал в турецкие владения.
В 1710 году в войну вмешалась Турция. После поражения в Прутском походе 1711 года Россия вернула Азов Турции и разрушила Таганрог, но за счёт этого удалось заключить очередное перемирие с турками.
Пётр снова сосредоточился на войне со шведами, в 1713 году шведы потерпели поражение в Померании и лишились всех владений в континентальной Европе. Однако благодаря господству Швеции на море Северная война затянулась. Балтийский флот только создавался Россией, но сумел одержать первую победу в Гангутском сражении летом 1714 года. В1716 году Пётр возглавил объединённый флот из России, Англии, Дании и Голландии, но из-за разногласий в стане союзников не удалось организовать нападение на Швецию.
По мере укрепления Балтийского флота России, Швеция почувствовала опасность вторжения на свои земли. В 1718 году начались мирные переговоры, прерванные внезапной гибелью Карла XII. Шведская королева Ульрика Элеонора возобновила войну, надеясь на помощь Англии. Разорительные десанты русских в 1720 году на шведское побережье подтолкнули Швецию к возобновлению переговоров. 30 августа (10 сентября) 1721 года между Россией и Швецией был заключён Ништадтский мир, завершивший 21-летнюю войну. Россия получила выход в Балтийское море, присоединила территорию Ингрии, часть Карелии, Эстляндию и Лифляндию. Россия стала великой европейской державой, в ознаменование чего 22 октября (2 ноября) 1721 года Пётр по прошению сенаторов принял титул Отца Отечества, Императора Всероссийского, Петра Великого:
