Тем временем армия Карла XII вернулась в Россию, и боевые действия продолжались на Украине, но уже неудачно для шведов.
В октябре 1708 г. на сторону шведов перешел гетман Украины И.С. Мазепа. Петр I расценил это как предательство российского престола. Позже, после разгрома Карла XII под Полтавой, И.С. Мазепа бежал с ним в турецкие владения, где и умер в 1709 г. в г. Бендеры.
Весной 1709 г. 30-тысячная шведская армия подошла к Полтаве. Два месяца длилась безуспешная для шведов осада города. 27 июня 1709 г. началась историческая Полтавская битва. Войска сошлись в жестокой схватке. Через два с половиной часа яростного боя шведская армия, потеряв более 9 тыс. человек, была разгромлена, а шведский король с остатками своих сил был вынужден скрываться в турецких владениях. В Северной войне наступает перелом в сторону России.
В 1710 г. русские войска заняли Выборг, Ригу и Ревель, что означало присоединение Эстляндии и Лифляндии к России.