25 апреля Карл осадил Полтаву. Гарнизон под командованием полковника Келина мужественно встретил превосходящего по силе врага. Два месяца длилась геройская оборона. Все штурмы шведов были отбиты. Карл XII лишился примерно 20 процентов своей армии, израсходовал боевые припасы и утомил окопными работами свои и без того истощенные войска.
Конница Меншикова с половины мая производила эффективные диверсии в виду крепости. Гарнизон Полтавы получил подкрепления в 900 человек, но силы осажденных все-таки слабели. Петр I двинулся на их выручку. 20 июня русская армия расположилась в восьми верстах от города, и сражение стало неизбежным.
27 июня до рассвета шведы (28 тыс.) атаковали русскую армию (42 тыс.), а уже в полдень расстроенные их толпы искали спасения в бегстве. Передовая русская линия состояла из шести редутов, занятых двумя батальонами. За редутами стояла конница (17 полков), а за нею в укрепленном лагере пехота и артиллерия (56 батальонов, 72 орудия). Шведы устремились на редуты, но после упорнейшего боя смогли взять лишь два из них. Шведская конница Рейншильда после двухчасового боя была опрокинута драгунами Меншикова с потерей 14 штандартов. Карл приказал пехоте Левенгаупта не задерживаться у редутов, а помочь своей коннице. Пройдя сквозь линию редутов, шведы расстроились, что и предвидел Петр. Подступив к укрепленному лагерю, они были отражены картечью русской артиллерии и отошли в беспорядке. Правая колонна генерала Рооса, атакованная драгунами Меншикова, бежала к Полтаве, где в шанцах сложила оружие. Город с этого времени оказался деблокирован.
Петр, ожидая второй атаки шведов, вывел русские войска из лагеря, намереваясь охватить противника с обоих флангов. Не дождавшись атаки, он двинулся навстречу врагу с 42 батальонами в две линии и 17 драгунскими полками на флангах. У Карла XII оставалось лишь 18 батальонов в одну линию, 14 кавалерийских полков и всего 4 орудия. Столкновение продолжалось всего полчаса, и к 11 часам все закончилось. Победа русской армии была полной: шведы потеряли убитыми 9234, в плену оказалось 18746 человек при 137 знаменах и штандартах, 32 орудия с фельдмаршалами Рейншильдом и Левенгауптом. Лишь Карл XII с несколькими всадниками бежал в Турцию.
Разделавшись со шведской армией, царь Петр, получивший чины генерал-лейтенанта и контр-адмирала, решил из-под Полтавы идти в Прибалтику, чтобы завершить завоевание балтийского побережья. Его победоносные войска прибыли с Украины в Лифляндию еще до наступления распутицы.
В 1710 году пали последние оплоты шведов – Рига, Пернов, Динамюнде. В Финляндии взяты были Выборг