1706 год был годом политических неудач Российского государства: польский король Август II был вынужден отказаться от престола. Несмотря на победу в сражении под Калишем (город в Польше), Россия осталась в войне со Швецией в одиночестве. В этих обстоятельствах Мазепа вступил в тайные переговоры с новым польским королём Станиславом Лещинским, ставленником Карла XII. Договорились так: Мазепа предоставляет шведам зимние квартиры, продовольствие и фураж и пытается склонить на сторону Карла запорожских и донских казаков, а также калмыцкого хана. Пётр I об этом не знал, так как после казни Василия Кочубея и Ивана Искры жаловаться на Мазепу запорожцы опасались.
Осенью 1708 года царь Пётр пригласил Мазепу присоединиться с казаками к русским войскам под Стародубом (город в Брянской области). Мазепа медлил, ссылаясь на свои болезни и смуты в Малороссии. В то же время он совещался со старшинами, примкнувшими к нему, и вёл переговоры с Карлом и переписку с Меншиковым. Меншиков решил навестить якобы больного Мазепу. Опасаясь разоблачения, Мазепа с гетманской казной бежал в конце октября с левого берега Десны к Карлу. С ним было всего полторы тысячи казаков. Из шведского лагеря гетман написал письмо Скоропадскому. в то время Стародубскому полковнику, разъясняя причины своего перехода и приглашая старшину и казаков последовать его примеру. К шведам, кроме отряда Мазепы, позднее присоединилась часть запорожского войска – тоже около 1500 человек.
Пётр I был вне себя. Он отдал приказание князю Меншикову двинуть из Киева в Запорожскую Сечь три полка русских войск под командованием полковника Яковлева, и 11 (22 мая) 1709 года Сечь была полностью разрушена. Были взяты в плен кошевой атаман, войсковой судья, 26 куренных атаманов, 250 казаков. Из того числа 5 человек умерли от пыток, 156 атаманов и казаков казнено, причём несколько человек были повешены на плотах, и эти плоты пущены были вниз по Днепру – на страх другим.
Карлу XII Мазепа обещал зимовку в городе Батурине – резиденции гетмана. Там были значительные запасы провианта, много пушек, имелся хорошо подготовленный и преданный Мазепе гарнизон, Но планам Мазепы и Карла помешали войска Меншикова, взявшие крепость и все припасы в ней. Батурин был разорён, а гарнизон наёмников уничтожен.
Шведам пришлось выйти из тёплых хат на лютый мороз. Более ста шведских солдат отморозили себе руки и ноги, несколько десятков погибло.
Но Карл не сдавался. Он взял Зеньков, Опашню (города в Полтавской области) и Лебедин (Сумская область). Эти действия шведов спровоцировали начало партизанской войны, которую вели, прежде всего, крестьяне и которая делала положение Карла ещё более тяжёлым.
Тем временем был избран новый гетман – Иван Скоропадский, а Мазепа был предан вечному проклятию.
Оценки личности и деяний Мазепы различны, часто противоположны. Однако объективным результатом его перехода к Карлу было втягивание войска шведов в Малороссию, куда они вошли в расчёте на обещанные Мазепой провиант, зимние квартиры и 50 тысяч казачьего войска. Но под знамёна Мазепы встало только 3 тысячи запорожцев, многие из которых вскоре его покинули.
Войска шведов под Полтавой 27 июня (8 июля) 1709 года были разгромлены русской армией. Карл и Мазепа бежали на юг к Днепру, а потом в Бендеры. Турки отказались выдать Мазепу русским властям.
Умер Мазепа 21 сентября (2 октября) 1709 года.
