4 июня под Полтаву прибыл Петр. В течение 15–20 июня через Ворсклу переправились главные русские силы.
Карл XII, понимая близость генерального сражения, предпринял попытку обезопасить свой тыл взятием Полтавы, но штурм по-прежнему не удался.
Петра не устраивала местность у деревни Петровки, первоначально избранная для поля сражения. За спиной царя уже было сражение в пересеченной местности (у Лесной), которое показала неумение противника сражаться среди лесов и оврагов. Полем сражения Петр избрал местность у деревни Яковцы.
Петр обладал подавляющим численным превосходством. Русские войска насчитывали 42 000 регулярных и 5000 иррегулярных войск (казаков и калмыков). На реке Псел находился русский резерв в 40 000 человек.
Несмотря на то что численность войска Карла XII равнялась 48 тысяч, из них 1,3 тысячи человек продолжали осаждать Полтаву во избежание удара в тыл. Частично по всему течению Ворсклы до впадения ее в Днепр у Переволочны также были расставлены шведские отряды. Одиннадцать тысяч человек шведского войска составляли мазепинцы и запорожцы. Таким образом, в Полтавском сражении могло участвовать лишь 28 000—30 000 шведов.
Русские войска обладали превосходством в артиллерии – 102 орудия против 39 шведских орудий. Накануне сражения Карл XII выехал на рекогносцировку, где получил ранение в ногу. Из-за этого он не мог командовать сам и передал командование фельдмаршалу Реншельду.
В ночь на 27 июня шведские войска были приведены в состояние повышенной боевой готовности. К трем часам утра они подошли к редутам, надеясь ворваться в них под покровом темноты и овладеть в ходе рукопашной схватки. Командовал шведской пехотой генерал К.Г. Роос, а кавалерией – В.А. Шлиппенбах.
Неожиданно на шведов обрушился ураганный огонь из орудий и ружей защитников редутов. Шведской пехоте все же удалось овладеть двумя недостроенными редутами, кавалерия также оттеснила русских драгун. Но, не имея артиллерии и гранат, шведы несли огромные потери и, потеряв связь с остальными войсками, отошли в Яковецкий лес. Там они были атакованы русской кавалерией под командованием Меншикова и взяты в плен. Меншиков атаковал резервный корпус противника и почти полностью уничтожил его.
На втором этапе сражения конница под командованием Меншикова обратила в бегство шведскую конницу. Под Меншиковым было убито три лошади. За два с половиной часа исход сражения был решен. Шведы потеряли 8000 человек убитыми и ранеными.
Среди многочисленных награжденных за Полтавское сражение по-прежнему выделялся Меншиков. Царь произвел его во вторые фельдмаршалы (первым был Шереметев), дал ему во владение города Почеп и Ямполь. По количеству крепостных он стал вторым владельцем после самого царя.
Воспользовавшись бездействием союзников, шведский генерал Стенбок в декабре 1712 года вошел из Померании в Мекленбург, собираясь разгромить датско-саксонские войска.
К концу января Петр прибыл в Мекленбург и приказал начать решительное наступление. Он взял под свое командование пехоту, а кавалерию поручил Меншикову. Перейдя дамбу, русские войска вышли к самому Фридрихштадту. Шведы, не ожидая увидеть здесь русских, начали беспорядочное бегство в Тоннинген, побросав в воду все пушки.
После взятия Фридрихштадта Петр отбыл в Россию, поручив Меншикову осаду Тоннингена. В апреле Стенбок был вынужден начать переговоры о капитуляции. Он хотел сдачи на почетных условиях с оставлением знамен и литавров. Однако Меншиков и союзные генералы отклонили эту просьбу, и шведские войска вынуждены были оставить крепость, положив оружие и знамена к ногам победителей. В плен сдалось 11 485 шведов.
