1709年6月27日凌晨2时，瑞军开始向俄军阵地发起进攻。波尔塔瓦战役正式开始。
瑞典步兵分四路纵队，随后是六路骑兵，向俄军阵地猛扑过来。在缅什科夫率领的俄国骑兵攻击下，瑞典骑兵节节败退，步兵陷入了俄国多面堡的交叉火力之中。当天上午10点，双方进行了一场激烈的白刃战。瑞军企图正面突破，把俄军的左右两翼切断。彼得一世率领诺夫哥罗得军团猛烈还击。瑞军溃不成军。一颗炮弹打在受伤的国王查理十二的担架上，国王从担架上掉下来，昏了过去。上午11点战斗结束，俄军获得全胜。俄军伤亡4600人，而瑞军有9234名官兵被打死，2874人被俘。俄军占领了查理十二的指挥部，缴获了200万萨克森金币。
6月29日，撤离波尔塔瓦的瑞军开往第聂伯河彼列沃洛奇纳城。6月30日，缅什科夫率领9000人追赶逃跑的瑞军。瑞军疲惫不堪，陷入绝境。列文豪普特和克列伊茨特将军率15 000余人向俄军投降。查理十二和马泽普带领少数随从渡河逃往土耳其。波尔塔瓦战役是北方战争的转折点，它结束了瑞军的优势。
波尔塔瓦战役胜利后，丹麦向瑞典宣战，奥古斯特二世在俄国的支持下，又被拥为波兰国王，重新恢复了俄、波、丹同盟。不久，普鲁士也加入了这一同盟。