Dennoch hatte Schweden auch seine Schwächen, nämlich seine geringe Bevölkerungszahl und begrenzten Ressourcen. Diese erlaubten es dem Land nicht, seine ausgedehnten Grenzen gleichermaßen wirksam zu verteidigen. Unter diesen Umständen setzten die Schweden vor allem auf die schnelle Verlegung ihrer Truppen und deren hohe Kampfkraft, auf das Geschick ihrer Befehlshaber sowie auf die Entschlossenheit des schwedischen Herrschers. Als der unerfahrene fünfzehnjährige Karl XII. im Jahr 1697 den schwedischen Thron bestieg, sahen mehrere europäische Staaten ihre Chance, einen langjährigen mächtigen Rivalen gemeinsam zu zerschlagen.
Die 1699 gegründete Nordische Allianz umfasste Russland, Dänemark und das polnisch-litauische Königreich, dessen König August der Starke zugleich Kurfürst von Sachsen war, das ebenfalls der Allianz beitrat. Nachdem sie in früheren Konflikten unter den Schweden gelitten hatten, hofften sie, verlorene Gebiete zurückzugewinnen und neue zu annektieren. Für Russland bestand das Hauptziel darin, Zugang zur Ostsee zu erhalten, den es Anfang des 17. Jahrhunderts durch die Schweden verloren hatte.
Nachdem die schwedische Armee das polnische Gebiet durchquert und August den Starken besiegt hatte, drang sie 1708 in das Territorium des russischen Reiches ein. Karl XII. entschied sich jedoch nicht, ins russische Kernland durch das verwüstete Land vorzustoßen. Stattdessen steuerte er das fruchtbare Gebiet der Ukraine an, wo ihm der Hetman (Militärbefehlshaber) Iwan Masepa, der zur Gegenseite übergelaufen war, Unterstützung zugesagt hatte. Der Feldzug verlief jedoch nicht so reibungslos, wie der König es sich erhofft hatte – der Gegner, dem er nun gegenüberstand, war nicht mehr derselbe wie bei Narva.
Am 9. Oktober 1708 zerschlug Peter I. im Dorf Lesnaja im heutigen Belarus ein Korps unter General Adam Lewenhaupt, das von Riga mit einem gewaltigen Nachschub für die Armee des Königs unterwegs war. Am 8. Juli 1709 wurde Karl XII. selbst in der Schlacht von Poltawa besiegt, 9.000 seiner Soldaten fielen oder wurden verwundet (die russischen Verluste wurden auf etwa 5.000 geschätzt). „In dieser berühmten Schlacht“, schrieb der russische Militärtheoretiker des 19. Jahrhunderts, Baron Nikolai Medem, „trägt jeder Befehl des Zaren das Zeichen militärischer Genialität: der geschickte Rückzug der Kavallerie, der den Gegner zu unseren Batterien lockte, die Wahl des richtigen Moments, Menschikow gegen Roos zu senden, und schließlich die Idee, aus dem Lager vorzurücken, um dem Feind entgegenzutreten… Die Schlacht zeigte eindeutig, dass der Zar durch seine klugen Maßnahmen zur Truppenentwicklung sein Ziel vollständig erreicht hatte und dass die russische Armee in ihrer inneren Geschlossenheit nun mit den besten europäischen Truppen vergleichbar war.“
Unmittelbar nach dem Sieg lud Peter I. die gefangenen schwedischen Offiziere zu einem Abendessen ein, bei dem er auf ihre Gesundheit anstieß und sie als seine „Lehrer in den Kriegskünsten“ bezeichnete. Während Karl XII. in das Osmanische Reich flüchtete, zog sich seine geschlagene und demoraliserte Armee in die Stadt Perewolotschna zurück, wo am 11. Juli alle 13.000 Mann kapitulierten und gefangen genommen wurden. Von diesem Moment an ergriff Russland fest die Initiative im Krieg. „So endeten unsere glücklichen Zeiten“, schrieb der Soldat Joachim Lyth, der an diesen Ereignissen teilnahm, später.
Nach dem russischen Triumph bei Poltawa traten Dänemark und Sachsen wieder in den Krieg gegen Schweden ein. Russische Truppen eroberten das gesamte Baltikum, marschierten in Finnland ein und landeten 1719 sogar mehrfach an den Küsten Schwedens selbst. Schließlich entschied der neue König Friedrich I. (Karl XII. war drei Jahre zuvor bei der Belagerung der norwegischen Festung Fredriksten gefallen), Frieden mit Russland zu schließen, und am 10. September 1721 wurde in der finnischen Stadt Nystad ein Friedensvertrag unterzeichnet.
Das Königreich Schweden trat an Russland „zum vollständigen, absoluten und ewigen Besitz“ Ingermanland, Lifland (Mittel- und Nordlettland), Estland und auch den südöstlichen Teil Finnlands ab. Als Ausgleich für Letzteres verpflichteten sich die Russen, den Schweden über mehrere Jahre hinweg zwei Millionen westeuropäische Taler zu zahlen. Dies entsprach der Hälfte des russischen Jahresbudgets oder dem gesamten Jahresbudget Schwedens. Die übrigen besetzten finnischen Gebiete wurden wieder unter Stockholms Kontrolle gestellt. Am 2. November 1721 nahm Peter I. in der Alten Dreifaltigkeitskathedrale in Sankt Petersburg den Titel „Vater seines Vaterlandes, Peter der Große, Kaiser aller Russen“ an. Russland wurde damit offiziell zum Kaiserreich erklärt, obwohl es in Europa bereits seit der Schlacht von Poltawa als solches beschrieben wurde.