Летом 1706 г. шведский король вытеснил из Литвы и Курляндии русскую армию. Не приняв боя, русские отошли в Белоруссию, к Пинску. После этого Карл XII наносит заключительный удар по силам Августа II в Саксонии. Шведское вторжение в Саксонию завершается взятием Лейпцига и капитуляцией Августа II. В результате, Петр I лишается своего последнего союзника и остается один на один с удачливым и грозным шведским королем.
Разгромив союзников Петра I и обеспечив себе надежный тыл в Польше, Карл XII выступил в поход на Россию. В январе 1708 года шведы заняли Гродно, а в июне армия Карла XII форсировала реку Березину и двинулась к русской границе. 3 июля русские войска были разбиты у местечка Головчино северо-западнее Могилева и отступили за Днепр. Несмотря на поражение, русская армия отошла довольно организованно. Битва при Головчине стала последним крупным успехом Карла XII в войне с Россией.
Неудача при Головчине позволила русскому командованию яснее разглядеть уязвимые места своей армии и лучше подготовиться к новым сражениям. По плану, составленному Петром I, русская армия должна была теперь уклоняться от решительных сражений и изматывать шведов в оборонительных боях, создавая тем самым условия для последующего перехода в контрнаступление. Русские отступали, применяя тактику "выжженной земли". Жителям было приказано уходить в леса и болота, уничтожив и спрятав все, что они не смогли взять с собой.
Шведское войско переправилось через Днепр, Карл занял Могилев и в августе пошел на Смоленск. Однако бои у села Доброго, а затем у деревни Раевки, а также тот факт, что местность была сильно разорена отступающим неприятелем, и шведы испытывали трудности с продовольствием и фуражом заставили шведского короля повернуть на левобережную Украину, где он надеялся найти помощь у изменившего русскому царю гетмана Мазепы.
По тайному договору со шведами Мазепа должен был предоставить им провиант и обеспечить массовый переход казаков на сторону Карла XII. Левобережная Украина и Смоленск отходили к Польше, а сам гетман становился удельным властителем Витебского и Полоцкого воеводств с титулом князя.
В сентябре 1708 года шведское войско остановилось в Костеничах, ожидая подхода корпуса Левенгаупта, шедшего из Риги с большим обозом продовольствия и боеприпасов. Петр I решил ни в коем случае не допустить встречи Левенгаупта с войском Карла Хll.
Поручив фельдмаршалу Шереметеву двигаться вслед за шведской армией, царь с посаженным на лошадей "летучим отрядом" в 12 тысяч человек спешно двинулся навстречу корпусу генерала Левенгаупта (около 16 тыс. чел.). Одновременно царь послал приказ коннице генерала Боура (4 тыс. чел.) идти на соединение с ним.
28 сентября в битве при Лесной корпус Левенгаупта был разбит русскими отрядами. К Карлу он пришел лишь с половиной своего войска. К Карлу присоединились также отряды украинского гетмана Мазепы. Однако расчеты короля на региональный сепаратизм и раскол восточного славянства не оправдались. В Малороссии на сторону шведов перешли лишь часть казачьих старшин да запорожцы, опасавшиеся уничтожения (как на Дону) их казачьей вольницы. Вместо обещанной огромной 50-тысячной казачьей армии Карл получил лишь около несколько тысяч изменников, искавших лишь мелкой личной выгоды в борьбе двух могущественных соперников. Основная масса населения не откликнулась на призывы Карла и Мазепы.
Осень 1708 г. и зима 1709 г. прошли в попытках Карла ХII пробить себе путь на Москву по линии Белгород – Тула. Весной 1709 г. Карл XII предпринимает еще одну решительную попытку перехватить стратегическую инициативу. В апреле 35-тысячное шведское войско осадило Полтаву, В случае взятия города создавалась угроза Воронежу - крупнейшей базе армии и флота России. Этим король мог привлечь к разделу южных российских рубежей Турцию. Известно, что крымский хан активно предлагал турецкому султану выступить против русских в союзе с Карлом XII и Станиславом Лещинским. Возможное создание шведско-польско-турецкого союза могло завершиться поражением России в Северной войне, расчленением ее на отдельные княжества, шведским протекторатом над Украиной, к чему в конечном итоге и стремился Карл XII. Шведы также надеялись, что захват Полтавы - крупного города Левобережной Украины, приведет к перелому в настроениях украинцев, которые поддержит Мазепу и пополнит ряды его войска.
Армия Карла подступила к Полтаве 3 апреля 1709 года. Бои за город носили ожесточенный характер. Гарнизон под командованием полковника А.С. Келина отбил несколько штурмов и ответил отказом на требование сдаться.
В конце мая к Полтаве подошли главные русские силы во главе с царем Петром I. Шведы из осаждавших превратились в осажденных. Героическая оборона Полтавы истощила ресурсы шведского войска. Она не позволила ему захватить стратегическую инициативу, дав русской армии необходимое время для подготовки генерального сражения.
27 июня 1709 года произошла Полтавская битва, которая закончилась полным разгромом шведской армии, паническим бегством шведских солдат. Карл XII сумел с небольшим отрядом уйти во владения турецкого султана.
Полтавское сражение стало переломным моментом в Северной войне. Изменилось международное положение России. В Польше укрепились позиции Августа II, а Станислав Лещинский вынужден был бежать. В октябре 1709 года Петр I заключил с Августом II новый союзный договор против Швеции, в котором зафиксирован раздел Прибалтики (за Россией – Эстляндия, за Августом – Лифляндия). Заключила союзный договор с Россией и Дания. Северный союз таким образом возродился. К антишведской коалиции присоединилась Пруссия, а позже Ганновер.
После уничтожения главных сил шведской армии и временного выключения из борьбы Карла русские войска в октябре 1709 года заняли Курляндию. Успехи русского оружия были закреплены браком герцога Фридриха-Вильгельма с племянницей Петра Анной Ивановной.
В 1710 году петровская армия овладела Выборгом и главными опорными пунктами шведов в Прибалтике - Ригой, Ревелем и Перновым. Прибалтика полностью перешла под российский контроль, а взятие Выборга позволило русским контролировать весь Карельский перешеек. Петербург теперь становился надежно защищен от шведских нападений с севера.
Однако дальнейшие успехи русского оружия были временно приостановлены началом русско-турецкой войны (1710-1713, хотя ее неудачный для России исход не повлиял на успешное продолжение Северной войны.
В 1712 г. петровские войска переносят боевые действия в шведские владения на севере Германии (Померания), действуя совместно с Августом II. Армия под командованием фельдмаршала А.Д.Меншикова действовала успешно. Ей удалось взять несколько крепостей (Штеттин, Штральзунд) и выиграть сражение у Фридрихштадта (1713), принудив шведов капитулировать. Однако, "кампания пропала даром": Россия вынуждена была уйти ни с чем из-за несогласия союзников.
Отношения между союзниками стали обостряться, прежде всего, из-за дележа шведских владений в Германии. Территориальные споры упорно подогревались Англией и Голландией, которые никак не хотели пускать Россию на Балтику. Их усилия активизировались, так как в Западной Европе договором 1713 г. был положен конец войне "за испанское наследство", и западные державы смогли обратить свое внимание на восток. Однако попытки Англии создать антирусскую коалицию, подняв против России Голландию, Пруссию и Австрию, провалились. Россия в 1714 году заключила с Пруссией договор о союзе и территориальных гарантиях в случае победы над Швецией.
Все это позволило России обратиться к решению военных проблем на северо-западе. Для полной победы над шведами в Финляндии и нанесения ударов по самой Швеции нужно было обезвредить шведский флот, который продолжал контролировать морские просторы Балтики. К тому времени русские уже располагали гребным и парусным флотом, способным противостоять шведским военно-морским силам. В мае 1714 г. на военном совете царь Петр выработал план прорыва русского флота из Финского залива и занятия Аландских островов с целью создания там базы для атак побережья Швеции.
Шведская эскадра стояла у мыса Гангут. 27 июля 1714 года он был атакован русскими кораблями. Трехчасовое Гангутское сражение окончилось поражением шведов. Это была первая крупная победа русского флота.
Цели, которые преследовал Петр в Северной войне, фактически были уже выполнены. Поэтому ее заключительный этап отличался более дипломатической, чем военной интенсивностью.
В конце 1714 г. из Турции возвращается к своим войскам на севере Германии (Померания) Карл XII, где продолжали сопротивление союзным войскам крепости Висмар и Штральзунд. После их падения в конце 1715 года королю удалось добраться до Швеции. Летом 1716 года он успешно отразил датское вторжение, а в 1718 году Карл во главе шведской армии отправился в поход в Норвегию, входившую в то время в состав Дании. Перед этим он начал переговоры с Россией, выразив готовность уступить ей всю Лифляндию и Эстляндию. Шведам удалось занять столицу Норвегии Христианию (Осло), но 30 ноября при осаде крепости Фредриксхаль Карл был убит мушкетной пулей, поразившей его в голову. После смерти вождя шведская армия покинула Норвегию, а переговоры с Россией оказались прерваны.
Пришедшая к власти в Швеции так называемая "гессенская" партия (сторонники сестры Карла XII Ульрики Элеоноры и ее мужа Фридриха Гессенского) стала вести переговоры о мире с западными союзниками России. В 1719 – 1720 годах шведы ценой территориальных уступок заключают договоры с Ганновером, Пруссией, Данией.
Единственной соперницей Швеции остается Россия, не желающая уступать Прибалтику. Заручившись поддержкой Англии, Швеция сосредотачивает все усилия на борьбе с русскими. Однако ни распад антишведской коалиции, ни угроза нападения британского флота не помешали Петру I победоносно закончить войну. Этому помогло создание собственного сильного флота, которое сделало Швецию уязвимой с моря. В 1719-1720 гг. российские десанты начинают высаживаться уже близ Стокгольма, опустошая шведское побережье.