20 июня русская армия форсировала Ворсклу и стала укрепленным лагерем в районе деревень Петровка и Семеновка в восьми верстах от Полтавы, куда по приказу Петра I срочно двинулись запорожские казаки И.И. Скоропадского. Узнав от перебежчика о подходе в русский лагерь подкреплений, и лишившись всякой надежды получить подмогу от турецкого султана и польского короля, 22 июня Карл XII еще раз атаковал Полтаву, но после неудачного штурма решил дать русским войскам генеральное сражение.
По информации историков (Е. Тарле, В. Артамонов, П. Кротов, В. Молтусов), накануне генерального сражения Карл XII располагал сильной армией, численность которой составляла 37 тыс. штыков и сабель, включая около 4 тыс. реестровых и низовых запорожских казаков. Непосредственно в Полтавской битве приняли участие 26 пехотных батальонов и 22 кавалерийских полка, т. е. всего около 25 тыс. человек. Численность всей русской армии, по разным оценкам (В. Артамонов, А. Васильев, В. Молтусов, Т. Дюпии), составляла от 60 до 80 тыс. штыков и сабель, но непосредственно в Полтавской баталии приняли участие тоже около 25 тыс. человек.
26 июня Петр I вместе со всем генералитетом снова осмотрел поле предстоящей битвы и неприятельский лагерь и принял важное решение, повлиявшее на исход всей битвы — построить четыре продольных редута в проходе между лесополосами у деревень Малые Будищи и Малые Павленки. В ночь на 27 июня шведская армия, построенная в 4 пехотных и 6 кавалерийских колонн, пошла в стремительное наступление и одновременно атаковала русские редуты и кавалерию. Шведам удалось довольно быстро захватить два первых недостроенных редута, однако взять с ходу третий редут им не удалось. Русские драгуны князя А.Д. Меншикова и генерала Р.Х. Баура, успевшие за это время выстроиться в боевой порядок, стремительно двинулись навстречу неприятелю и на линии поперечных русских редутов остановили его дальнейшее продвижение вперед.
После взятия первой линии редутов в сражении наступила пауза. Шведская армия приводила себя в порядок, а царь Петр около шести часов утра вывел всю свою армию из основного лагеря и построил ее в две линии. В центре были выстроены пехота и артиллерия под командованием фельдмаршала Б.П. Шереметева и генералов А.И. Репнина и Я.В. Брюса, на левом фланге — кавалерия князя А.Д. Меншикова, а на правом фланге — кавалерия генерала Р.Х. Баура. В самом же лагере был оставлен лишь небольшой резерв из девяти пехотных батальонов под командой генерала И.Я. Гинтера. Как повествуют очевидцы, перед началом решающей схватки с неприятелем Петр I обратился к своим полкам с проникновенной речью: «Воины! Се пришел час, который должен решить судьбу Отечества. Вы не должны помышлять, что сражаетесь за Петра, но за государство, Петру врученное, за род свой, за Отечество, за православною нашу веру и церковь. Не должна вас также смущать слава неприятеля, яко непобедимого, которую ложну быти вы сами победами своими над ним неоднократно доказали. Имейте в сражении перед очами вашими правду и Бога, поборающего по вас; на того Единого, яко всесильного во бронях, уповайте, а о Петре ведайте, что ему жизнь не дорога, токмо бы жила Россия в блаженстве и славе для благосостояния вашего». Ряд современных авторов (Е. Анисимов, П. Кротов) считает, что этот вариант петровской речи есть результат ее более поздней литературной обработки, сделанной, вероятнее всего, Феофаном Прокоповичем. А реальная речь царя Петра была иной и более обыденной: «Делайте, братия, так, как я буду делать, и всё, помощию Всевышнего, будет добро. За победою, после трудов, воспоследует покой».
Около девяти часов утра фельдмаршал К.Г. Реншильд начал новую атаку против русских войск, однако стойкость гвардейских полков генерал-лейтенанта М.М. Голицына и очень удачный фланговый маневр драгун князя А.Д. Меншикова позволили отбить все попытки шведских войск разбить центр русской обороны, а затем контратаковать их и разрушить весь боевой порядок неприятеля, уничтожив более 9 тыс. шведских вояк. Осознав, что Полтавская баталия проиграна, Карл XII отдал приказ срочно отвести остатки своей армии в район Переволочны, но стремительная атака русских драгун и запорожских казаков под командованием князя А.Д. Меншикова и гетмана И.И. Скоропадского закончилась для шведской армии полной катастрофой: на правый берег Днепра в сопровождении королевских драбантов и запорожских казаков смогли переправиться только сам король и его иуда-союзник, которые бежали в Валахию под защиту турецкого султана, а 16 тыс. шведских вояк, в том числе первый министр короля К. Пиппер, фельдмаршал К.Г. Реншильд и генералы В.А. Шлиппенбах, К.Г. Роос и Х.Ю. Гамильтон, были взяты в плен.
По общему мнению историков, Полтавская виктория стала самой выдающейся победой в Северной войне, которая, по сути, предопределила весь ее дальнейший исход. Хотя в последнее время ряд авторов либерального толка, в частности, известный петербургский историк профессор Е.В. Анисимов в своей статье «Миф Великой виктории» (2009), попытались несколько принизить ее историческое значение, представив в виде «великой нечаемой виктории». Но даже эти авторы признают, что победа в Полтавской битве кардинально изменила международное положение России и в октябре 1709 г. Петр I, подписав новые договоры с Данией и Польшей, где на престоле вновь закрепился Август II, возродил Северный военный союз.
Вскоре боевые действия были вновь перенесены на территорию Польши и Прибалтики. В июне-сентябре 1710 г. две русских армии под командованием Б.П. Шереметева и А.Д. Меншикова, разгромив шведские войска в нескольких сражениях, овладели Ригой, Ревелем, Выборгом, Кексгольмом и другими ключевыми городами и крепостями в Прибалтике и Финляндии. Успешный ход Северный войны был неожиданным образом прерван Стамбулом, который в нарушение Константинопольского договора 1700 г. объявил России войну.