Осада города продолжалась две недели, она отличалась невероятным упорством и массовым героизмом русских. Подробности штурма описаны Петром І, находившимся в боевых порядках в качестве «бомбардирского капитана». Сообщением о взятии Нотебурга открывается первая русская печатная военная хроника — «Книга Марсова», посвященная операциям Северной войны.

Шведский гарнизон крепости ко времени осады насчитывал не более 500–600 человек и 140 орудий. На неоднократные предложения о сдаче комендант крепости полковник Шлиппенбах отвечал отказом. Шведы стойко оборонялись. Один из шведских офицеров предлагал даже взорвать крепость, чтобы она не досталась русским.

Крепость была блокирована с воды и суши. 29 сентября по трехверстной просеке на левом берегу Невы, освобожденном от неприятеля, волоком протащили из Ладожского озера в Неву 50 кораблей. На левобережье начали устанавливать батареи.

Переправившиеся через реку солдаты Преображенского и Семеновского полков захватили правобережные редуты шведов. В десантных вылазках и осадных работах участвовал сам Петр I.

1 октября началась бомбардировка из 43 орудий, установленных на левом берегу. Затем к ней присоединились батареи, обосновавшиеся на правом берегу. Всего по крепости было выпущено свыше 15 000 ядер и бомб. Основной огневой удар был направлен на Наугольную и Погребную башни и прясло стены между ними. Несмотря на то что этот участок крепости был усилен каменной прикладкой, в стеке и башнях были пробиты три огромные бреши, сквозь которые могли пройти маршем в ряд 20 человек. В огне пожаров сгорели почти все деревянные постройки острова. Сохранились лишь комендантский дом и амбары внутри цитадели. «Артиллерия наша зело чудесно дело свое исправила», — сообщал Петр I в одном из своих писем. В другом письме он добавлял по поводу 23 пушек с расстрелянными от беспрерывной пальбы запалами: «но не без тягости, ибо многие наши медные зубы оттого испортились».

Попытки шведов помочь окруженной со всех сторон крепости окончились безрезультатно. На остров пробрались на лодках лишь несколько десятков финских гренадеров.

3 октября парламентер-барабанщик передал русским просьбу жен шведских офицеров, умолявших «о позволении зело жалостно, дабы могли из крепости выпущены быть ради великого беспокойства от огня и дыму». Письмо попало к Петру, и он ответил женщинам, что «есть ли изволят выехать, изволили б и любезных супружников своих с собою вывести купно». Как отмечалось в «Книге Марсовой», «сей комплимент знатно осадным людям показался досаден», и артиллерийская дуэль возобновилась.

11 октября по трем сигнальным залпам на остров переправились первые охотники-десантники. Так начался штурм крепости, продолжавшийся 13 часов «в непрестанном огне». Шведы «строение, за которым наши было защитились, огненными ядрами зажгли и непрестанно дробом по ним из пушек били, так что не могли в суды садиться». На беду, штурмовые лестницы оказались слишком короткими, а бреши были пробиты лишь в верхней половине стен. Несмотря на помощь добровольцев, прибывших с подпоручиком А. Д. Меншиковым, троекратно возобновляемый штурм, казалось, вот-вот окончательно прекратится. Положение русских солдат было отчаянным. Их, стоящих у подножия стен, в упор расстреливали вражеские стрелки сверху, в них летели гранаты и камни. «И, хотя наш штурм, — как сообщалось в реляции о взятии крепости Нотебург, — выручкою и свежими людьми довольно креплен есть, однако ж не могли они проломов и крепость взять ради малого места земли и сильного сопротивления неприятельского».

Петр I послал приказ вернуться, но подполковник Семеновского полка М. М. Голицын, командовавший смельчаками, ответил связному: «Скажи царю, что теперь я уже не его, божий», — и велел оттолкнуть лодки. Решимость русских людей определила участь крепости. «Неприятель от множества нашей мушкетной, так же и пушечной стрельбы в те 13 часов толь утомлен и видя последнюю отвагу тотчас ударил шамад (сдача), — сообщалось в реляции. 12 октября последовала капитуляция, и «наши на три учиненных пролома на караул впущены». Победители вступили в крепость 13 октября.

К побежденным отнеслись гуманно. Фельдмаршал Б. П. Шереметев, как сказано в условиях капитуляции, «под честное слово кавалера, которое он, слава богу, никогда не нарушал, даже перед турками, не говоря о христианах», разрешил беспрепятственный выход шведов. Коменданту для оправдания перед королем разрешили произвести краткий осмотр крепости и зачертить план ее осады.

14 октября 83 здоровых и 156 раненых шведов под барабанный бой с распущенными знаменами, личным оружием и 4 пушками сквозь проломы навсегда покинули остров. «Таковым образом, через помощь божию, — писал Петр I, — отечественная сия крепость возвращена, которая была в неправдивых неприятельских руках 90 лет».

Русским досталось 129 пушек, 1117 мушкетов и другое вооружение. Подготовительные действия русской армии, скрытно подступившей к Нотебургу, оправдали себя.

Однако победа досталась ценой больших потерь. «Зело жесток сей орех был, однако, слава богу, счастливо разгрызен», — писал Петр I одному из своих помощников А. А. Виниусу. На береговой кромке Орехового острова погибло свыше 500 русских солдат и офицеров и 1000 получили ранения. Не случайно, что именно после этой славной баталии впервые в истории России все участники штурма (и солдаты, и офицеры) были награждены специальными медалями.