В ноябре 1710 г. по личной просьбе Карла XII, находящегося при дворе турецкого султана Ахмеда III, Османская империя объявила России войну. В январе 1711 г. русская армия под командованием фельдмаршала Б.П. Шереметева двинулась из Прибалтики к предстоящему театру боевых действий. А в начале марта 1711 г. в поход из Москвы вышел и сам Петр, который намеревался раньше турок выйти к Дунаю и начать боевые действия на территории противника.
Этим планам не суждено было сбыться, поскольку: 1) валашский князь Константин Бранкован в самый последний момент предал русского царя и переметнулся к туркам; 2) молдавский князь Антиох Кантемир, который в отличие от соседа остался верен русскому царю, не смог оказать ему реальной помощи в силу крайней малочисленности своих войск, а 3) фельдмаршал Б.П. Шереметев не успел в назначенное время — в конце мая ― форсировать Днестр и вступить на территорию Молдавского княжества.
Подойдя к Днестру только в июне 1711 г. и потеряв выигрыш во времени и маневре, Петр I слишком поздно отдал приказ о форсировании Днестра и двинул истощенную в тяжелейшем походе русскую армию к реке Прут. 8 июля 1711 г. объединенная русская армия под командованием Петра I, Б.П. Шереметева и А.И. Репнина форсировала многоводный Прут и практически сразу была окружена превосходящей крымско-турецкой армией великого визиря Балтаджи-Мехмед-паши. 9 июля 1711 г. здесь, на правом берегу реки Прут, состоялось генеральное сражение, в котором неприятель, несмотря на огромный перевес сил, так и не смог одолеть русскую армию, проявившую большую стойкость и героизм. Поэтому по обоюдному согласию сторон под Яссами сразу начались мирные переговоры, которые завершились 12 июля 1711 г. подписанием Прутского мирного договора, по условиям которого Россия отдавала туркам Азов и срывала на побережье Азовского моря свою крепость Таганрог. Благодаря дипломатическому искусству вице-канцлера П.П. Шафирова и огромным деньгам, выделенным из царской казны на подкуп турецкого визиря и других должностных лиц, условия этого договора оказались значительно менее тяжелыми, чем могли быть на самом деле.
Позже Стамбул, подстрекаемый Францией и Швецией, дважды пытался пересмотреть этот мирный договор, но после выполнения Россией всех взятых на себя обязательств турецкий султан Ахмед III в июне 1713 г. вынужден был заключить с Петербургом Адрианопольский мирный трактат, повторявший точь-в-точь условия прежнего соглашения.
В июне 1712 г. государства возрожденного Северного союза начали боевые действия на территории шведской Померании. Из-за несогласованности в действиях союзников, по образному выражению Петра, «сея военная кампания пропала даром». Только в январе 1713 г. русская армия под командованием князя А.Д. Меншикова нанесла крупное поражение армии фельдмаршала М. Стенбока под Фридрихштадтом. Вскоре из-за бурного противодействия голландцев и англичан Петр вынужден был увести свои войска с южного берега Балтики и перенести боевые действия на территорию Финляндии.
В апреле 1713 г. русский галерный флот под командованием Петра и генерал-адмирала Ф.М. Апраксина заняли город Гельсингфорс (Хельсинки), а затем пали Або (Турку) и Ваза. Тогда же в Померании союзники наконец-то овладели Штетином, и таким образом, к 1714 г. Швеция не только лишилась значительной части Финляндии, но и была изгнана с территории континентальной Европы. Теперь основным театром боевых действий стало Балтийское море. 27 июля 1714 г. русский галерный флот опять же под командованием Петра и генерал-адмирала Ф.М. Апраксина нанес сокрушительное поражение шведской военно-морской эскадре вице-адмирала Н. Эреншельда у мыса Гангут.
В 1715 г. Петр серьезно заболел и вынужден был отправиться на лечение за границу. Но его почти двухлетнее пребывание в Европе было, в основном, посвящено не столько проблемам своего здоровья, сколько поискам наиболее приемлемых условий выхода из затянувшейся войны со Швецией. В 1716 г. в состав Северного союза, возглавляемого Россией, помимо Дании и Саксонии, вошли Речь Посполитая, Пруссия и Ганновер. А в августе 1717 г. Россия, Франция и Австрия подписали Амстердамский договор, по которому Париж и Вена согласились признать все завоевания России в Прибалтике и брали на себя роль посредников в переговорах со Швецией.
В мае 1718 г. начал свою работу Аландский мирный конгресс. Шведскую делегацию возглавлял личный представитель Карла XII граф К. Герц, а русскую — Я.В. Брюс и А.И. Остерман. Уповая на помощь англичан, шведы избрали тактику затягивания переговоров, но искусному дипломату А.И. Остерману удалось перевести официальные заседания конгресса в личные беседы с главой шведской делегации и добиться успеха. Карл XII, смирившись с потерей прибалтийских владений, дал согласие на подписание мирного договора. Однако гибель шведского монарха при осаде норвежского Фридрихсгаля в ноябре 1718 г. круто нарушила ход мирных переговоров.
Новая правительница Швеции, родная сестра Карла XII королева Ульрика Элеонора (1718―1720) и ее ближайшее окружение, вновь уповая на помощь англичан, которые опасалась усиления России в Балтийском регионе и на море, взяли курс на срыв мирного конгресса. В результате после долгих, но бесплодных дебатов в сентябре 1719 г. переговоры были прерваны. Однако уже в конце 1719 — первой половине 1720 гг. на побережье Ботнического залива русские войска провели ряд блестящих десантных операций и разгромили шведский флот у острова Эйзель. А затем, в июле 1720 г., русский гребной флот под командованием генерала М.М, Голицына на глазах изумленных англичан нанес сокрушительное поражение шведскому парусному флоту у острова Гренгам.