Men selv nå kunne Karl med et pennestrøk ha fått tilbake nesten alt han hadde tapt. I 1707 var Peter villig til å tilbakelevere alt bortsett fra St. Petersburg og Neva-linjen. Igjen ønsket Karl imidlertid å risikere alt for å redde en større del av sine tidligere baltiske besittelser. Året etter invaderte han Russland, men møtte kraftig motstand fra general Mensjikov og dro med hæren sin til Ukraina for vinteren. Der ble hans styrker svekket av det kalde klimaet og Peters bruk av den brente jords taktikk. Da han fortsatte kampanjen våren 1709, hadde Karl mistet en tredjedel av hæren, og han led et knusende nederlag for Peter i slaget ved Poltava. Etter slaget måtte han flykte til Det osmanske rike, hvor han tilbrakte fem år i eksil i Bender (Tighina i det nåværende Moldova). Peters seier kom overraskende på de europeiske stormaktene, og på én dag hadde Russland etablert seg som en av dem.