Tažení do Ruska začalo v září roku 1707 a v lednu 1708 Karel XII. přešel řeku Němen. Dosahoval zde nad Rusy v menších bitvách vítězství, ale k velké rozhodující bitvě se mu protivníka nepovedlo přimět. Švédská armáda postupoval k Moskvě, měla ale potíže se zásobováním. Navíc 28. září 1708 Petr v bitvě u Lesné porazil sbor švédského generála Adama Ludwiga Lewenhaupta. Švédský sbor měl doplnit střelivo a zásoby. Současně změnila hlavní část švédské armády směr postupu na Ukrajinu, kde si chtěla doplnit zásoby a přemluvit ke spojenectví hejtmana Ivana Mazepu. Ivan Mazepa byl dosud věrný ruskému carovi, ale toužil po úplné samostatnosti Ukrajiny, což ho přimělo stát se spojencem Švédů. Brzy poté, co změnil strany, však Alexandr Menšikov vypálil jeho sídelní město Baturyn. V květnu 1709 Karel XII. oblehl Poltavu. Ruský car Petr I. považoval udržení Poltavy za důležité a proto se vydal městu na pomoc. Švédský král Karel XII. byl dne 27. května 1709 raněn na noze a upoután na nosítka. Velení převzal polní maršál Carl Gustav Rehnskiöld. Ten také vedl 8. července švédskou armádu do bitvy u Poltavy, v níž byla Petrem I. poražena a navíc utrpěla velmi těžké ztráty. Její zbytky se po bitvě vzdaly Rusům u Perevoločné. Karel XII. se spolu s Ivanou Mazepou zachránil útěkem do Turecka. Bitva u Poltavy znamenala zvrat ve válce, která se po ní začala vyvíjet v neprospěch Švédska.