Det afgørende slag mellem Sverige og Rusland kom i juni 1709 tæt på byen Poltava, der ligger i nutidens Ukraine. Her mødtes en svensk styrke på 22.000 mand en russisk styrke på omtrent det dobbelte. I modsætning til Slaget ved Narva ni år tidligere, led de svenske tropper, der stadig var personligt ledt af Karl d. 12., nederlag. Peter den Stores sejr i Slaget ved Poltava blev et vigtigt vendepunkt i Den Store Nordiske Krig, og viste Europa Ruslands opblomstrende militære magt.Efter Slaget ved Poltava var det lykkedes Karl d. 12. at flygte til Moldova og osmannisk beskyttelse. Peter den Store krævede, at Karl d. 12. blev udvist af Det Osmanniske Rige, der i mellemtiden opfordrede osmannerne til at gå i krig mod Peter den Store. Som konsekvens heraf erklærede Det Osmanniske Rige i 1710 krig mod Rusland. Herefter befandt Peter den Store sig i en vanskelig situation, og valgte i 1711 at indgå en aftale med osmannerne, hvori Rusland blandt andet måtte afstå Azov og andre indtagelser fra krigen i 1696 og tillade Karl d. 12. at rejse tilbage til Sverige.