הקוזאקי איוואן מזפה. ציוד הצבא השוודי התדלדל מאוד והוא סבל ממחסור חמור, בעיקר בתחמושת ומזון. קרל סמך על התגבורת בת 12,000 חיילים שהייתה אמורה להגיע מריגה ויחד איתה אספקה רבה, אך בקרב לסנאיה ספג כח זה הפסד צורב וכל המטען אבד. למרות איבוד האספקה סירב קרל לסגת, ובמקום זאת בחר להמשיך בתנועה לכיוון אוקראינה, שבה היה לו בן ברית בדמותו של מזפה שהבטיח לו תגבורת ואספקה. פיוטר השתמש באסטרטגיה הרוסית המוכרת ומשך את אויבו לתוך ארצו תוך כדי שהוא משאיר אחריו אדמה חרוכה. עד מהרה התברר לקרל שמזפה הוא משענת קנה רצוץ והוא נותר ללא אספקה ראויה. השוודים לא הצליחו לכלכל את כוחותיהם, וסבלו בחורף הקר של 1709. אף על פי כן, עם בוא הקיץ חידשו השוודים את מאמציהם לכבוש את אוקראינה. השוודים הטילו מצור על העיר פולטבה, אך בשלב זה גילה פיוטר תוקפנות רבה יותר, וצבאו פגש בצבא השוודי בקרב פולטבה ב-28 ביוני 1709. עתה קצר פיוטר את פירות ההשקעה בצבאו: הצבא הרוסי גרם לעשרת אלפי הרוגים בקירוב לצבא השוודי, ושבה את רוב שרידיו של הצבא השוודי שברח לפרבלוצ'נה. המחיר ששילמו הרוסים היה קטן לאין ערוך ולא עלה על כמה אלפי הרוגים ופצועים. אחרי ההפסד גם הפולנים הרימו ראש ואוגוסט השני שב לכס המלכות. קרל נמלט לשטח האימפריה העות'מאנית ששמרה עד אז על נייטרליות, וניסה לשכנע את הסולטאן, אהמט השלישי לסייע לו במערכה מחודשת נגד הרוסים. בסופו של דבר נשאר בגלות חמש שנים.