Na začetku pomladi 1709 je bilo v Rusiji za boj pripravljenih manj kot 30.000 mož, skoraj polovica švedske vojske, z malo topovi. Zlasti v Nemčiji vpoklicane vojake je mrazhudo prizadel. Podprli so jih oddelki zaporoških kozakov, ki so car Petra prisilili, da je svoje sile razdelil. Kljub napetemu stanju glede oskrbe se je Karl odločil oblegati mesto Poltavo, oskrbovalno središče z velikimi zalogami smodnika in drugo opremo. Na začetku aprila 1709 je z 8.000 vojaki obdal mesto in pričakoval, da se bo hitro predalo. Vendar so rusko posadko pod polkovnikom A. Kelinom podprli ukrajinski kozaki in lokalno prebivalstvo, tako da je vzdržala 87 dni. Potem ko je car Peter premagal zaporoške kozake, se je s svojimi 60.000 vojaki obrnil proti Poltavi, da razbremeni oblegano mesto. Prečkali so reko Vorskla in nekaj kilometrov severno od mesta postavili utrjeno taborišče. Ko je rusko poveljstvo izvedelo za težaven položaj švedske vojske, se je car odpovedal svoji politiki izogibanja. Karl XII., ki je bil 28.junija greg. bil v izvidnici ranjen, se odločil preprečiti bližajoči se spopad z napadom na utrjeno taborišče. Da bi osredotočil vse sile na to nalogo, je Lewenhaupt zahteval, da se obleganje opusti, vendar je kralj odklonil in dal Poltavo dalje oblegati. V dejanski bitki se je tako pod feldmaršalom Rehnskiöldom borilo le 20.000 mož. Ker je primanjkovalo smodnika, so morali vojaki v boj iti z nasajenimi bajoneti in večinoma brez krogle v mušketi. Za napad so lahko uporabili le 4 od 32 topov. Tako je 8. julija 1709 greg. prišlo do odločilne bitke pri Poltavi v Ukrajini. Nenaden napad naj bi Ruse zmedel in povzročil njih razpad. Toda potem, ko je švedski napad imel le zelo omejen uspeh, so Rusi prešli v odprto bitko, v kateri so zaradi svoje premoči Švedom zadali uničujoč poraz. Mnoge švedske častnike, med drugimi feldmaršala Rehnskiölda, so Rusi ujeli.