708年10月9日，彼得一世在列斯納亞村殲滅瑞典援軍，而後襲擊馬澤帕的基地巴圖林。進入冬季以後，天氣奇寒，瑞軍大量減員，被迫於次年春南移。瑞軍進入烏克蘭以後，分散在羅姆內、卡佳奇、普里盧基和洛赫維察等地過冬。
俄軍駐紮在切爾尼哥夫、基輔、佩列亞斯拉夫和波爾塔瓦等地，從北、西、南三面對瑞軍形成包圍態勢，繼續以小戰襲擾敵人。
1709年春，查理十二世決定經哈爾科夫和別爾哥羅德進攻莫斯科，為此，4月底進抵戰略要地波爾塔瓦。5月11日，瑞軍開始圍攻波爾塔瓦，歷時兩月有餘，始終未克。7月6日，彼得一世率俄軍主力進至距波爾塔瓦5公里的雅可夫策村以北，並占領陣地，決定同瑞軍決一雌雄。
7月8日凌晨2時，3．2萬瑞軍與4．2萬俄軍展開激戰。
瑞軍擺開戰鬥隊形，開始出擊，俄軍首先以騎兵迎擊。3時，雙方在前沿陣地展開激戰，俄軍依託工事，牽制殺傷敵人，為俄軍主力出擊爭取了時間。4時，俄軍主力做好出擊準備。瑞軍進攻受阻，一部向波爾塔瓦森林逃竄，被俄緬希科夫部追殲；另一部撤至俄軍陣地右前方森林地帶。9時，雙方經重新部署後的短促交戰，立即投入白刃格鬥。瑞軍右翼部曾一度突破俄軍中部，俄軍實施有力的反突擊，堵住缺口。俄軍騎兵包抄瑞軍兩翼，對其後方造成威脅；瑞軍動搖，從退卻變為潰逃。11時，瑞軍傷亡近萬，數千被俘。7月11日，瑞軍殘部約1．6萬人在佩列沃洛奇納不戰而降，查理十二世帶馬澤帕和少數隨從逃入土耳其。
波爾塔瓦會戰是北方戰爭的轉折點。此後，丹麥、薩克森恢復同沙俄的結盟，奧古斯特二世重登波蘭王位，普魯士和漢諾瓦也加入北方同盟。1710年，俄軍乘勝在波羅的海沿岸先後攻占里加、雷瓦爾、維堡、克克斯戈爾姆和尼塞爾島等要地。
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