1708年11月至1709年4月是個百年未遇的寒冬，查理十二在烏克蘭很不順利：俄軍主力封鎖了瑞軍從哈爾科夫至別爾戈羅德的道路，集結在博戈杜霍夫、阿赫特爾卡、列別金和蘇梅地域。瑞軍駐紮在普里盧基、加佳奇、羅姆內和洛赫維察地域。1708年11月，由於當地居民在俄軍正規部隊協助下進行積極的抵抗，瑞軍擴大這一進攻基地的企圖被粉碎。烏克蘭居民拒絕執行馬澤帕向瑞軍提供糧秣的命令，而與俄軍士兵一起守衛江河的徒涉場和渡口，在路旁和森林裏伏擊敵人。查理十二和馬澤帕沒有預料到事件會出現這樣的變化，於是對當地居民實行殘酷的鎮壓，但其結果卻激起了居民對侵略者的更大規模和更加堅決的抵抗;馬澤帕雖然投了過來，但沒帶來幾個兵(僅1500名哥薩克人);儘管一再爭取土耳其參戰，但土耳其還是不願意破壞同俄國的和約。既得不到土耳其的援助，又深感軍隊供應困難，查理十二把焦慮不安、士氣低落的部隊緊緊收縮在一起，當天氣轉暖以後便向沃羅涅日前進。然而，嚴冬過後，春汛早早地到來了。瑞典軍隊一蹶不振，他們不僅忍飢挨餓，而且缺少裝備和彈藥，加之軍中疾病流行，尤其時時受到“正規軍”和“游擊隊”的一而再、再而三的猛烈襲擊。當部隊抵達沃爾斯克拉河畔後，查理十二決定停下來，準備佔領尚未遭受戰爭蹂躪的波爾塔瓦地區，企圖在那裏補充給養，並打開哈爾科夫、別爾戈羅德方向的進攻道路，繼而進軍莫斯科。到了此時，身處困境的查理十二把一切希望寄託於一場決戰上。
1709年4月1日，第一批瑞典軍隊出現在波爾塔瓦城下。緊接着，查理十二率領瑞軍主力3.5萬人(包括馬澤帕率領的扎波羅熱哥薩克和烏克蘭哥薩克)，火炮32門，迅速抵達該城。此時的馬澤帕向查理十二暗示，攻佔波爾塔瓦是使全體烏克蘭人投向瑞典人的可靠保證。但查理十二有自己的如意算盤。因爲，波爾塔瓦城堡雖小，卻是個戰略要地，佔領它，北可達俄國的造船中心和軍事物資儲備中心沃羅涅什，並進而逼近莫斯科;南可通有可能成爲瑞典盟邦的土耳其和克里木。衆所周知，克里木汗正積極地建議土耳其國王與查理十二以及斯坦尼斯拉夫結盟共同反對俄羅斯人。如果瑞典-波蘭-土耳其結成聯盟，就會使俄羅斯人陷入與立窩尼亞戰爭時相似的境地。並且與伊凡四世不同，彼得擁有更加強大的內部反對派。這些反對派包含有廣泛的社會階層，他們不僅對不斷加重的負擔表示不滿，而且反對所進行的改革。在南方擊敗俄羅斯人意味着俄羅斯在北方戰爭中完全失敗，瑞典就會統治烏克蘭，並把俄羅斯分割爲幾個公國，而這正是查理十二急於達到的最終目標。
但是，由阿列克謝.斯捷潘諾維奇克林上校指揮的波爾塔瓦守軍(4200名士兵，約2500名武裝市民，29門火炮)臨危不懼，拒絕了瑞典軍隊提出的投降要求。因爲早在1709年1月，克林上校和其他一些烏克蘭要塞司令收到過彼得的一項命令：“一旦敵人進攻，務必堅守至最後一兵一卒，不得後退。倘若指揮官陣亡，左右軍官應立刻接替，繼續指揮，前仆後繼，血戰到底。” 在懾而不服的情況下，查理十二決定攻城。由於缺乏彈藥，瑞典軍隊試圖以迅速果斷的進攻來彌補這方面的不足。爭奪城堡的戰鬥進行得殘酷而激烈。有時瑞典軍隊進攻城堡圍堤，這時市民迅速前來支援守城部隊，經過共同努力又打退了瑞典人的進攻。
時至5月5日，彼得才從信使那裏得知“瑞典企圖攻佔波爾塔瓦”的稟告，得到這一消息，他立刻預感到了此役在俄、瑞戰爭中的重要性。彼得向緬希科夫指出，該鎮十分險要。他提出兩種解圍方案。或是聲東擊西，進攻奧波什納，以便將查理十二的注意力從波爾塔瓦引開;或是在瑞典人對岸的沃爾斯克拉河畔固守，隨時給被困部隊補充軍需品、生力軍、武器和彈藥。“至於一切其它情況有賴見機行事，”彼得最後寫道。5月7日，緬希科夫將軍指揮的部隊渡過沃爾斯克拉河向駐紮在奧波什納的瑞典軍隊發起進攻，以此迫使查理前往馳援解圍。聲東擊西的戰術果然大奏奇效，這使克林上校能夠組織進攻並消滅波爾塔瓦城堡下的瑞典軍隊。5月14日夜裏，戈洛文上校指揮的部隊(900人)滲入到波爾塔瓦城內，他們要給要塞駐軍補充彈藥。進城的士兵，“爲了泅渡方便，不僅沒穿上衣，連長褲也脫掉了。”波爾塔瓦的英勇保衛戰牽制了查理十二的兵力。從而使俄軍主力能在要塞地區集結(5月底)，並做好殲敵準備。
6月4日，彼得親臨波爾塔瓦。而此時的瑞典人已從包圍者變成了被包圍者。他們的前面是彼得率領的俄羅斯主力部隊，後面是斯科羅帕茨基和多戈魯基指揮的俄羅斯-烏克蘭軍隊。6月16日，彼得主持召開了軍事會議，決定與瑞軍進行總決戰。6月20日，俄軍主力(4.2萬人、72門火炮)轉移到沃爾斯克拉河右岸，準備發動攻擊。在這種情況下，對於好戰心理極爲強烈的查理十二來說，只有勝利才能挽救自己。6月21至22日，查理十二爲佔領波爾塔瓦進行了最後一次孤注一擲的嘗試，但這次進攻仍被守城部隊的英勇反擊所擊退。在進攻中，瑞典軍隊消耗盡了自己的大部分彈藥和幾乎全部的大炮。遺憾的是，瑞典軍隊儘管耗盡了資源，但仍未能掌握戰略主動權，俄羅斯人則贏得了準備進行總決戰的必要時間。6月25日，彼得一世指揮部隊進入雅可夫齊村(波爾塔瓦以北約5公里處)附近的陣地，許多陣地構成了一個築壘兵營。兵營正面是一片寬約2.5公里的開闊地，兩翼有密林和灌木叢爲其屏障。開闊地上築有10個四角多面堡(橫向6個，縱向4個)構成的野戰工程工事體系。多面堡相互之間的距離均在火槍的射程之內，從而保證了各堡之間能在戰術上進行相互協同。多面堡內共配置兩營士兵和擲彈兵。多面堡後配置了17個騎兵團，由緬希科夫指揮。彼得一世的企圖是：先在前進陣地(多面堡一線)上消耗敵兵力，而後在開闊地戰鬥中將敵殲滅。
戰鬥爆發於6月27日的凌晨2時，李恩斯科特元帥(查理十二在6月17日的一次偵察行動中，遭到俄軍射擊，腳上中了一槍。所以，由李恩斯科特代行指揮權)率領約2萬人，配4門火炮(有28門火炮因缺乏彈藥留在輜重隊;另外還有一支近1萬人的部隊留駐在波爾塔瓦城下，擔任預備隊和警戒交通線的任務，其中包括一部分由馬澤帕率領的扎波羅熱哥薩克和烏克蘭哥薩克)的瑞典4個步兵縱隊和6個騎兵縱隊向俄軍陣地推進。3時，俄軍騎兵和瑞軍騎兵在多面堡附近展開激戰。近5時，瑞軍騎兵被擊退，而跟隨騎兵之後的步兵卻攻佔了前面的兩座多面堡。這在彼得的軍隊中引起了慌亂。據當時的目擊者說，俄羅斯人已經套上了馬車，準備撤退。緬希科夫請求增援，但彼得卻堅持自己的作戰企圖，命令緬希科夫撤到多面堡一線以內。而瑞典人誤認爲俄軍在退卻，於是猛追不捨，向多面堡逼近，進入霰彈炮射程之內。6時，由於尾隨俄軍騎兵的猛烈攻擊，加之瑞軍右翼已陷入了俄軍築壘兵營發射的槍炮交叉火力之下，損失很大。爲了避開炮火，瑞軍右翼遂向小布季希附近的森林倉皇撤退，其中的一部分人馬被就地消滅。與此同時，羅斯和施利彭巴赫將軍指揮的縱隊在多面堡戰鬥中與主力失去了聯繫，正在茫然無措。彼得獲悉後，立即命令緬希科夫的騎兵部隊對其進行圍殲，於是，羅斯和施利彭巴赫將軍以及瑞軍右翼縱隊殘部很快被俘于波爾塔瓦森林。這時，從左面穿過堡壘的瑞典軍隊與已經做好戰鬥準備的俄羅斯軍隊的主力迎頭相遇。戰鬥的第一階段就此結束。接着，雙方出現了短暫的“相安無事”。
到戰役的第二階段，雙方主力展開了交戰，也就是大決戰。晨6時許，彼得在兵營前將部隊排成兩列線式戰鬥隊形：把舍列梅傑夫元帥統率的步兵部署在中央，鮑爾和緬希科夫將軍統率的騎兵分別配置於兩翼;布留斯將軍指揮的炮兵配置在第一列步兵中。兵營內留有9個營的預備隊。彼得還派出部分步兵和騎兵加強小布季希的烏克蘭哥薩克和波爾塔瓦的衛戍部隊，以切斷瑞軍退路並防其在會戰時佔領要塞。瑞軍也排成線式戰鬥隊形與俄軍對抗。在決戰即將來臨之際，彼得向士兵們發表了著名的戰前動員，他說：“士兵們!決定祖國命運的時刻來到了。你們不是爲彼得而戰，而是爲託付給彼得的國家、爲自己的民族、爲全體俄羅斯人民而戰。你們要知道彼得，只要俄羅斯永久生存、興旺發達、繁榮昌盛，生命對於彼得並不珍貴!”此時，瑞典國王也發表了講話。但查理的講話與彼得的講話可謂大異其趣：彼得號召人們奮起抗敵，強調守土匹夫有責;而查理對手下的將士們以華宴美酒、莫斯科沙皇的帳篷相誘。“俄國沙皇爲我們準備了許多美味佳餚。”他如是說。在戰鬥開始前對自己的軍人沒能作出振奮士氣的動員，實際上已經決定了瑞典軍隊今後的命運。瑞典軍人此次面臨的已不是“納爾瓦快跑能手”，而是裝備精良、在人數和氣勢上與瑞典軍隊相比均佔優勢的軍隊，這支軍隊已經作好了誓死保衛自己祖國的準備。
上午9時，瑞軍開始進攻，他們冒着俄軍的猛烈炮火，投入了白刃衝擊。在激烈的白刃格鬥中，瑞軍迫使俄軍第一列中央部隊後退。但是，洞察整個戰鬥全局的彼得，親自率領一個諾夫哥羅德營進行反擊，將這股敵軍逐回出發陣地。戰鬥中，一顆子彈擊穿了彼得的帽子，另一顆子彈打到了他的馬鞍上。此時的瑞軍由於缺乏彈藥，使騎兵得不到步兵的有力援助。接着，俄軍步兵開始反擊，當緬希科夫的騎兵從翼側打擊瑞典步兵時，瑞典步兵招架不住，匆忙撤退。查理十二試圖阻止步兵退逃，但無濟於事。
