На початку травня армія Карла XII, просуваючися на південь, дійшла до лінії Ворскли й тут облягла Полтаву з її фортецею. Шведські дослідники вважають, що Карл XII як прихильник активної, наступальної стратегії прагнув завдати рішучого удару головним силам ворога, знищити їх у генеральній битві. Через облогу Полтави Карл сподівався втягти в битву царську армію. Рішуча перемога, на думку Карла, забезпечила б йому також нових союзників, зокрема турків і татар.

Українсько-шведська армія розташувалася навколо полтавських мурів. Запорожці — великі майстри фортифікаційної справи — почали копати окопи довкола Полтави. Меншиков використав сприятливу для нього військову ситуацію, щоб виконати наказ царя про зруйнування Січі, де залишилося обмаль козаків, оскільки більшість пішла за Мазепою. Царське військо, очолене полковником Яковлевим, розділилося на два загони: один із них плив човнами Дніпром, другий ішов правим берегом за човнами. Перший загін легко й несподівано оволодів козацькою фортецею Кодак і подолав пороги. 18 травня Яковлев дістався до Кам'яного затону й відправив парламентарія з листом від Меншикова, який владно вимагав козаків піддатися йому. Запорожці кинули посла у воду.

Чортомлицька Січ розташувалася на острові, котрий омивали, як тоді казали, вісім річок. Під час повені він справді був неприступний. Перша спроба солдатів Яковлева пристати до берега на легких човнах закінчилася для них фатально. Більш як тисяча солдатів потонули, ті, хто потрапив у полон, були знищені. І знову, як і к Батурині, знайшовся зрадник. Козацький полковник Галаган, який у молоді літа жив на Січі, добре знав усі шляхи до неї. Спочатку Галаган пішов за Мазепою, але потім покинув його. Мабуть, прагнучи довести свою лояльність щодо царя, він пішов на зраду і ввів непомітно солдатів у Січ. Козаків було всього кілька сот, але вони билися хоробро й відчайдушне. Галаган і Яковлев пообіцяли тим, хто добровільно здасться, зберегти життя. Насправді ж, над тими, котрі цьому повірили, вчинено криваву різню. «Голови луплено, шию до плахи рубано, вішано і інші тиранські смерті завдавано, мертвих із гробов многих не тільки товариства, но і чернецов луплено і вішано». Галаган полював на запорожців на шляхах, у степових сховищах, спійманих висилав до Москви. З Січі були вивезені гармати, державний скарб і прапори.

6 липня під Полтаву прибуло 70 тисяч добірного царського війська. Шведсько-українського війська було вдвоє менше. 7 липня Петро видав маніфест до своєї армії. У ньому цар звично таврує Мазепу «підлим зрадником», але вже не звинувачує його, як раніше, у зраді на користь Польщі. По суті Петро І визнав, що гетьман, бажаючи «відділити Україну від Росії», прагнув самостійності України — «зробити з неї незалежне князівство і залучити до нього Волинь».

Генеральна битва відбулася восьмого липня. Першими в неї вступили шведи, які о восьмій годині ранку почали наступ на російські редути. Полтавська битва має величезну літературу багатьма мовами. У численних працях докладно описано хід битви, визначаються причини поразки шведської армії, котра до того вважалася непереможною. Воєнні історики проаналізували стратегію й тактику обох воюючих сторін, прокоментували плани і дії Карла XII, Петра І, їхніх воєначальників. Думки і оцінки різних авторів досить часто не збігаються. Найбільше сходяться на тому, що до поразки спричинилася значна кількісна нерівність сил, що діяли під Полтавою, а також неможливість Карлу XII внаслідок поранення особисто керувати боєм.

Призначений королем головнокомандуючий маршал Ренскіоль не розвинув далі перший, дуже вдалий натиск шведських частин на російське військо. Відкинуті солдати Петра безладно тікали до свого табору. Взагалі перший етап Полтавської битви складався кепсько для Петра І, й він подумував про відступ. Проте виявилося, що Ренскіоль не володів ситуацією, командуючі окремих з'єднань сперечалися між собою під час операції. Через це у шведській армії виникло безладдя, яке перейшло в паніку. Не могло врятувати становища й те, що окремі шведські частини героїчно, відчайдушне, до останнього протистояли наступу царських військ. Велика кількість шведських вояків разом зі своїми генералами й маршалами потрапила в полон.

Битва велася між шведськими і царськими військами. Козаки майже не брали в ній участі. Однак ті з них, хто потрапив у полон, зазнали великих мук і знущань від царських катів. Усі вони загинули від тортур. Іван Мазепа не брав участі в бою й не виходив із свого намету. Гетьман з'явився поруч із Карлом XII, коли той почав відступати.

Полтавська катастрофа, з огляду на подальші події та майбутню долю України, була для неї національною трагедією. Полтавська битва стала початком рабства й колоніальної залежності України. Петро І одержимо винищував дощенту все, що стосувалось імені Мазепи і української державності.

Частина шведського війська згуртувалася навколо пораненого короля, якого на ношах буквально витягли з перехресного вогню. Вирішили відійти у володіння турецького султана, скориставшися тим, що цар Петро, святкуючи свою перемогу, прогаяв час і не організував переслідування. Король ще поривався вступити в бій і краще загинути на полі бою, ніж ганебно відступати. Однак генерали й Мазепа переконали його, що цар, захопивши короля в полон, примусить його підписати договір, ганебний для Швеції.

Залишки шведської армії разом із запорозькими козаками йшли берегами Ворскли аж до її гирла. До них поволі збиралися докупи розсипані шведські полки. Йшли у військовому порядку, з розгорнутими прапорами. Козаки прикривали відступ. Мазепа та король їхали в кареті. До них приєднувалося те українське населення, яке підтримувало шведів і лякалося московського переслідування.

Дев'ятого липня стало відомо, що царські війська наздогоняють шведів та козаків. Але Карл XII та Іван Мазепа зі своєю маленькою армією встигли відірватися від погоні. Однак уночі з дев'ятого на десяте вони заблукали в лісі й через те втратили значну частину виграного часу. Вдосвіта проминули Кобеляки, куди Меншиков із військами прибув тільки о восьмій годині вечора.

Десятого липня надвечір утікачі дісталися Переволочної, де Ворскла зливається з Дніпром. Тут вирішили переправитися, але цар випередив їх. Щоб відрізати шведам шлях відступу до Туреччини, завбачливо, ще за кілька днів до Полтавської баталії, наказав відвести й потопити всі човни, спалити пороми на кілька миль довкола, а також спалити поселення Переволочну.

Близько десяти тисяч шведських військ, серед яких хворих було три тисячі, мусили залишатися на березі під проводом генерала Левенгаупта. Й знову шведський король не бажав кидати навіть залишки своєї армії й рятуватися такою ціною. Прагнув вступити в бій з переслідувачами, але його вблагали не робити цього. З кількома генералами, державним секретарем і сотнею вояків ескорту він переправився. Майстерні плавці, запорожці стали у великій пригоді під час важкої переправи. Карету відтранспортували у той спосіб, що передні колеса поставили на один човен, а задні — на другий. Мазепа з своїм почтом переправлявся в човні, який почав зачерпувати воду, довелося частину вантажу — золото й срібло, яке взяв з собою Мазепа, кинути у воду. Козаки переправлялися через річку, тримаючися грив коней. Не всім це вдалося зробити.