Между тем их тревожило партизанское движение на Украине, серьезный урон причинила суровая зима 1708/09 г. Польский король Станислав Лещинский на помощь не шел. Турция и ее крымский вассал также в войну не вступали. 27 июня 1709 г. под Полтавой произошло генеральное сражение, проигранное шведами. Три дня спустя главные силы шведов, отступившие к Днепру, сдались Меншикову у Переволочены. Цвет шведского генералитета во главе с Реншильдом и Левенгауптом попал в плен, а король нашел убежище у турецкого султана в Бендерах. Полтавская битва стала поворотным пунктом во всем ходе войны, да и во всей истории шведского великодержавия.

Северная лига возродилась; датчане вновь напали на Голыптейн-Готторп, возобновил военные действия и курфюрст саксонский Август П. К. союзникам примкнули прусский король (он же курфюрст Бранденбургский), а позже — курфюрст Ганновера. В том же 1709 году шведский ставленник Лещинский покинул Польшу. В 1710 г. русские войска завершили завоевание Лифляндии, Эстляндии и Западной Карелии, к 1716 г. были потеряны и немецкие владения шведов. В 1713 г. взяли реванш датчане, вынудив к сдаче шведскую армию Стенбока в голштинской крепости Теннинген.

В 1714 г. русские войска изгнали шведов из всей Финляндии; шведский военно-морской флот понес крупные потери у Гангута (Ханко). На помощь шведам, однако, пришли разногласия между союзниками, особенно России с Данией и Ганновером из-за дележа немецких владений Швеции, а также из-за дальнейшего плана операций; помогло и дипломатическое вмешательство западных держав, только что закончивших войну за испанское наследство. Карл XII, вернувшись в 1715 г. на родину, был уже умудрен опытом и склонялся к миру с Россией, втайне решив пожертвовать Прибалтикой ради сохранения остальных шведских завоеваний. В 1718 г. начались русско-шведские мирные переговоры на Аландах.