7 октября Петр I приказал начать подготовку к штурму. В тот же день были собраны «охотники», «которых немалое число записалось», а 9 числа раздали штурмовые лестницы. 11 октября «охотники» подъехали на лодках к острову с разных сторон, после чего начался штурм крепости, отличавшийся большим упорством. Кровопролитный бой с перерывами продолжался 13 часов, и все клонилось к победе шведов, которые упорно отбивали атаку за атакой. Осажденным помогало то обстоятельство, что на острове было очень мало места. Позже Петр I вспоминал, что «под брешью вовсе не было пространства, на котором войска могли бы собраться и приготовиться к приступу, а между тем шведский гарнизон истреблял их гранатами и каменьями». В какой-то момент даже было решено отступать. Существует легенда, что царь послал приказ об отступлении, но командовавший отрядом семеновцев подполковник М. М. Голицын, по праву считающийся одним из главных героев штурма, ответил, что «он уже не Петров, а Богов». Потом на глазах царя и всей армии военачальник приказал оттолкнуть от берега пустые лодки, на которых приплыл его отряд и бросился на штурм, который и принес победу русскому войску.
В конце концов, сказалось численное превосходство русских войск: к атакующим постоянно прибывали подкрепления, в то время как силы осажденных были ограничены. Исчерпав возможности для сопротивления, шведы вступили в переговоры, и вскоре комендант Нотебурга сдал крепость. Петр I дал ему самые почетные условия, как и всему храброму гарнизону: шведы были выпущены из крепости и вышли с распущенными знаменами, музыкой, полным вооружением и имуществом.
Нотебург достался дорогой ценой: во время штурма русские войска потеряли 538 человек убитыми и 925 ранеными. Больше всего пострадала гвардия: в Семеновском полку насчитывалось 114 убитых и 198 раненых, в Преображенском полку 102 убитых и 24 раненых. Благодаря овладению этой старой русской крепостью, был сделан первый шаг к закреплению России на Балтийском побережье. В начале следующего года эта крепость, наименованная после взятия Шлиссельбургом (то есть «Ключ-город»), стала опорным пунктом для дальнейшего наступления. О ее ключевом значении образно и точно сказал в семнадцатую годовщину взятия на проповеди в Шлиссельбурге обер-иеромонах Г. Ф. Бужинский: «Сим ключем отверзл море Балтийское…, ключ сей – основание царствующего Санкт-Питербурха».93
Менее чем через полгода Бомбардирская рота приняла участие в штурме еще одной шведской крепости – Ниешанца, последней преграды для возвращения