后袭击马泽帕的基地巴图林。进入冬季以后，天气奇寒，瑞军大量减员，被迫于次年春南移。瑞军进入乌克兰以后，分散在罗姆内、卡佳奇、普里卢基和洛赫维察等地过冬。
俄军驻扎在切尔尼哥夫、基辅、佩列亚斯拉夫和波尔塔瓦等地，从北、西、南三面对瑞军形成包围态势，继续以小战侵扰敌人。
1709年春，查理十二世决定经哈尔科夫和别尔哥罗德进攻莫斯科，为此，4月底进抵战略要地波尔塔瓦。5月11日，瑞军开始围攻波尔塔瓦，历时两月有余，始终未克。7月6日，彼得一世率俄军主力进至距波尔塔瓦5公里的雅可夫策村以北，并占领阵地，决定同瑞军决一雌雄。
7月8日凌晨2时，3.2万瑞军与4.2万俄军展开激战。
瑞军摆开战斗队形，开始出击，俄军首先以骑兵迎击。3时，双方在前沿阵地展开激战，俄军依托工事，牵制杀伤敌人，为俄军主力出击争取了时间。4时，俄军主力做好出击准备。瑞军进攻受阻，一部向波尔塔瓦森林逃窜，被俄缅希科夫部追歼；另一部撤至俄军阵地右前方森林地带。9时，双方经重新部署后的短促交战，立即投入白刃格斗。瑞军右翼部曾一度突破俄军中部，俄军实施有力的反突击，堵住缺口。俄军骑兵包抄瑞军两翼，对其后方造成威胁；瑞军动摇，从退却变为溃逃。11时，瑞军伤亡近万，数千被俘。7月11日，瑞军残部约1.6万人在佩列沃洛奇纳不战而降，查理十二世带马泽帕和少数随从逃入土耳其。
波尔塔瓦会战是北方战争的转折点。此后，丹麦、萨克森恢复同沙俄的结盟，奥古斯特二世重登波兰王位，普鲁士和汉诺威也加入北方同盟。1710年，俄军乘胜在波罗的海沿岸先后攻占里加、雷瓦尔、维堡、克克斯戈尔姆和尼塞尔岛等要地。
波尔塔瓦会战后，俄土关系又趋紧张。逃亡土耳其的查理十二世鼓动土耳其政府对俄宣战。鉴于南线吃紧，彼得一世决定在波罗的海方向停止进攻，主力转到南线，计划从巴尔干对土耳其实施突击。1711年夏，彼得一世亲率俄军主力4万余人，向多瑙河下游孤军冒进。土耳其出动10万大军，在克里木军的配合下，包围俄军于晋鲁特河畔。7月20日，双方激战，俄军弹尽粮绝，彼得一世被迫求和。最终，彼得一世以归还亚速及其附近地区为代价与土耳其达成停战协定。俄军在对土战争结束后，恢复对瑞典的进攻。
1713年，俄陆军在舰队配合下，在芬兰湾沿岸维堡与赫尔辛基之间登陆，连克芬兰许多城市。1714年夏，俄海军在芬兰湾口汉科角附近与瑞典舰队展开海战。8月7日，俄海军经2小时激战大败瑞典舰队。
