Po przegranej pod Leśną inicjatywa przeszła na stronę Rosjan. Szwedzi utracili większość wozów taborowych, zapasów, armat i amunicji. Jedynie z pozostałości armii Lewenhaupta przybyło, 6000 wygłodniałych żołnierzy stwarzając jeszcze większe problemy dla Karola XII, który już wtedy posiadał mało zapasów.
Ratunkiem dla Karola XII było wycofanie się na terytorium Hetmanatu i połączenie się z wojskami hetmana Iwana Mazepy. Wiosną wobec braków dostaw, chorób, dezercji i mrozu armia szwedzka poważnie była osłabiona, zdemoralizowana i niezdolna do prowadzenia większych operacji. Karol, chcąc, zdobyć bazę wypadową do dalszych działań rozpoczął oblężenie Połtawy.
- (Oblężenie Połtawy - Źródło grafiki - DeviantArt)
Garnizon oblężonego miasta liczył 1000 żołnierzy oraz kilka tysięcy uzbrojonych mieszczan. Armia szwedzka wobec braków w amunicji i małej liczby armat nie mogli przypuścić decydującego szturmu. Piotr I ruszył na czele z odsieczą 60 tysięcznej armii.
Bitwa pod Połtawą
Szwedzi liczyli niecałe 20000 żołnierzy wraz z 4 armatami. Szwedów wspomagało, kilka tysięcy kozaków hetmana Iwana Mazepy Rosjanie posiadali 60 tysięcy ludzi oraz 86 armat. Przewaga w artylerii okazała się miażdżąca w tym starciu. Piotr I rozbił obóz kilka kilometrów na północ od Połtawy. Przed bitwą w czasie rekonesansu ranny został, król szwedzki co uniemożliwiło dowodzenie w czasie bitwy. Ciężar dowodzenia przejął feldmarszałek Carl Gustaf Rehnskiöld.
Rosjanie, korzystając z dwóch lasów, między którymi prowadziła, droga do obozu umocnili je 6 fortami oraz stawiając, cztery reduty rozmieszczając na tak, aby móc, jak najlepiej prowadzić ogień przeciwko nacierającym oddziałom szwedzkim.
Przed świtem o godzinie 4:00 Szwedzi rozpoczęli, natarcie na pozycje rosyjskie zdobywając 2 pierwsze reduty. Rehnskiöld kontynuując, atak postanowił ominąć pozostałe reduty. Niesprzyjająca pogoda, silny ogień broni palnej nieprzyjaciela załamał atak szwedów. Odcięte szwedzkie bataliony Gen.Roosa (około 2500 ludzi) po długiej walce z rosyjskimi posiłkami musiały skapitulować. W pierwszych godzinach bitwy wojska Karola straciły 1/3 swojej piechoty.
Szwedzi, oczekując powrotu sił Roosa zaniechali walki na trzy godziny. Rosjanie, wykorzystując, sprzyjającą okazję wyszli przed własne umocnienia. Piechota w centrum i jazda na skrzydłach ustawiła się naprzeciw głównych sił szwedzkich. Przed godziną 10 obie strony rozpoczęły pojedynek artyleryjski. Wojska Piotra I posiadając, miażdżącą przewagę w artylerii szybko zadali szwedom duże straty. Piechota szwedzka ruszyła do ataku w uszykowanej linii. Ponownie wykorzystując, przewagę ognia artylerii Rosjanie zadali, wojskom szwedzkim wielkie straty. Dysponując, przewagą liczebną wojska Piotra posiadając, dłuższy szyk szybko oskrzydlili, piechotę szwedzką w walce na broń białą. Nie na wiele zdało się rzucenie jazdy przez Rehnskiölda, która nie zdołała ocalić oskrzydlanej piechoty. Po niedługim czasie wojska szwedzkie rzuciły się do ucieczki, a przed godziną 11 Karol XII wydał, rozkaz do odwrotu chcąc uchronić armię przed całkowitym rozbiciem. Do godziny 12 bitwa zakończyła się zwycięstwem Piotra I. Rosyjska kawaleria oczyszczała pole bitwy z niedobitek wojsk szwedzkich
Do niewoli dostał się feldmarszałek Rehnskiöld. Król Szwecji wycofał się z resztą wojsk na południe. Szwedzi utracili 12000 żołnierzy wraz bataliony gen. Roosa, które dostały się do niewoli. Rosjan ie zdobyli także wszystkie 4 armaty nieprzyjaciela. Rosjanie stracili około 5 tysięcy żołnierzy.