В то же время действия русских войск были более удачными, чем действия их западных союзников. В начале 1702 года, воспользовавшись тем, что большая часть шведских войск находилась в Польше, русские войска под предводительством Шереметева ударили по шведскому корпусу Шлиппенбаха, расположившемуся у города Дерпт (Битва при Эрестфере). Сражение произошло 9 января 1702 года. Первый этап битвы был неудачным для русских. Шереметев приказал начать отступление, но тут подошла артиллерия и переломила ход битвы. Русские войска перешли в атаку. Шведы бежали, потеряв артиллерию, и русская кавалерия преследовала их ещё несколько миль. Летом того же года войска Шереметева нанесли ещё одно поражение Шлиппенбаху в битве при Гуммельсгофе. Сражение началось с атаки шведов, которым удалось разбить авангард русских войск и захватить несколько пушек. Но затем к Шереметеву подошли подкрепления, благодаря которым удалось нанести удар по флангам шведов. Неприятель был наголову разбит: более 2000 солдат погибли или попали в плен. Ещё одна неудача настигла шведов в сентябре 1702 года, когда русская армия во главе с Петром I осадила Нотебург — стратегическую крепость на Неве. Русская флотилия одновременно вошла в Неву, ведя огонь по крепости со стороны реки. Десятидневная бомбардировка, произведшая страшные разрушения крепости, кончилась взятием Нотебурга штурмом.
Кампания 1703 года.
В следующем 1703 году польско-саксонскую армию продолжали преследовать неудачи: 21 апреля 1703 года шведы разбили войска Августа II в битве под Пултуском. Силы противником перед сражением были примерно равны (по 3000-3500 солдат с каждой стороны). Но если союзники потеряли около 1000 человек убитыми, ранеными и пленными, то со стороны шведов погибло не более 50 человек. В том же году шведы одержали ещё несколько побед: в битве под Данцигом и у города Познань.
Русские войска во главе с Петром I действовали успешнее польско-саксонской армии: 1 мая 1703 года была взята крепость Ниеншанц, расположенная при впадении реки Охты в Неву. Спустя две недели (16 мая 1703 года) был заложен Санкт-Петербург. За зиму 1703—1704 годов на острове Котлин был возведён Кронштадт. Таким образом, к началу 1704 года в руках русских оказалось всё течение Невы.
Кампания 1704 года.
14 января 1704 года польский сейм низложил Августа II в качестве короля Речи Посполитой и избрал новым королём шведского ставленника Станислава Лещинского. Но через некоторое время поляки, недовольные действиями шведов в Речи Посполитой, вновь избрали на польский престол Августа II. К тому времени большая часть Польши находилась в руках Карла XII.
Но неудачи шведов на границе с Россией продолжались. В июне 1704 года русские войска осадили Дерпт. После месячной осады город был взят штурмом. При этом потери русских составили всего 800 человек (из примерно 10 000, участвовавших в штурме). Потери шведского 5 000-го гарнизона исчислялись 2 000 солдат. Летом того же 1704 года русские войска вторично осадили Нарву. После длительного артобстрела начался штурм крепости и уже вечером 9 августа 1704 года Нарва находилась в руках русских. Во время штурма армия Петра I потеряла около 350 человек убитыми. Потери шведов были более значительными: 1, 3 тыс. солдат.
Кампания 1705 года.
В 1705 году Пётр I направил на помощь своим западным союзникам (Польше и Саксонии) несколько русских отрядов. Объединённые русско-польско-саксонские войска остановились на зимовку у города Гродно.
Кампания 1706 года.
Неожиданно в январе 1706 года Карл XII выдвинул в направлении лагеря союзников под Гродно крупные силы. 13 февраля 1706 года шведы нанесли сокрушительное поражение русско-польско-саксонской армии в битве при Фрауштадте, разбив втрое превосходящие силы противника. Ход битвы был неудачен для союзников. Саксонцы и поляки бежали опрометью с поля боя, почти не сопротивляясь, потеряв всю артиллерию. Только русские войска усиленно оборонялись и понесли тяжелые потери. После битвы положение окружённой под Гродно армии союзников сильно ухудшилось, и было решено отступить в направлении Киева. Но Карл не последовал за войсками Петра, а развернул свою армию против саксонцев. На этот раз шведы вторглись уже на территорию самой Саксонии. 24 сентября 1706 года Август II в тайне заключил мирное соглашение со Швецией. По договору он отказывался от польского престола в пользу Станислава Лещинского, разрывал союз с Россией и обязывался выплатить контрибуцию на содержание шведской армии. Тем не менее, не решаясь объявить о предательстве в присутствии русской армии под командованием Меншикова, Август II вынужден был со своими войсками участвовать в сражении при Калише 18 октября 1706 года. Битва закончилась полной победой русской армии и пленением шведского командующего. Это сражение стало крупнейшим с участием русской армии с начала войны. Но несмотря на блестящую победу, Россия осталась в войне со Швецией в одиночестве, так как уже вскоре Речь Посполитая и Саксония признали своим королём шведского ставленника Станислава Лещинского.
Кампания 1707 года.
В 1707 году активные боевые действия не велись. Русские войска готовились к обороне против намеревавшегося вторжения шведской армии, а Карл XII восполнял потери в войсках перед походом в Россию.
Кампания 1708 года.
В начале 1708 шведы выдвинулись в направлении Смоленска. 3 июля 1708 года они одержали победу в битве при Головчине над втрое превосходящими русскими войсками. Это сражение стало последним крупным успехом шведской армии. Перед битвой русские войска, под общим командованием генерала-фельдмаршала графа Б. П. Шереметева, расположились вдоль левого болотистого берега реки Бабич. Всего было сосредоточено около 35 тысяч человек. В ночь со 2 на 3 июля, когда произошло сражение, шел сильный дождь, сменившийся туманом. Под прикрытием темноты и непогоды шведские солдаты быстро навели мост через речку к болотистому участку противоположного берега, где русские не ждали опасности. Здесь находилась дивизия князя Репнина. В три часа ночи пять пехотных полков во главе с королем Карлом под прикрытием артиллерийского огня устремились через мост в атаку. Форсировав болото, они отрезали дивизию Репнина от русской кавалерии. Бой проходил в густых прибрежных зарослях, не позволявших ввести в действие конницу. Дивизия Репнина после трех часов боя бросилась в лес, оставив шведам 10 пушек. К счастью для русских, болотистая местность затруднила шведам преследование. Вслед за пехотой по мосту переправилась шведская кавалерия и атаковала конницу противника. Не выдержав натиска, кавалерия русских тоже обратились в бегство. Войска русского центра, опасаясь флангового удара шведов, поспешно отступили к Шклову. В сражении при Головчине русские потеряли убитыми 2700 человек, и еще 630 — пленными. Потери шведов составили около 250 солдат убитыми и более 1000 ранеными.
Дальнейшее продвижение шведской армии замедлилось. Стараниями Петра I, шведам приходилось передвигаться по опустошённой местности, испытывая острый дефицит провизии. К осени 1708 года Карл XII вынужден был повернуть на юг в направлении Украины. Там он надеялся дождаться подкреплений и обоза с провиантом. К тому же Карл XII ожидал поддержку со стороны турецкого султана и украинского гетмана Мазепы. Но 28 сентября 1708 года в битве у деревни Лесной войска Петра I разгромили корпус Левенгаупта, двигавшийся из Риги с обозом и подкреплениями, чтобы присоединиться к главной армии Карла. Неприятельский корпус был настигнут близ деревни Лесной. Шведскому военачальнику пришлось принимать бой, который начался с атаки русских. Пётр I с приходом свежей драгунской конницы отрезал противнику дорогу на Пропойск и усилил натиск на шведов. Вечером сражение прекратилось из-за наступивших сумерек и начавшейся вьюги. Левенгаупту пришлось уничтожить остатки своего огромного обоза (большая часть его стала русской добычей), но его корпус, преследуемый русской кавалерией, сумел добраться до королевского походного лагеря. Общие потери шведов составили 8,5 тысяч убитыми и ранеными, 45 офицеров и 700 солдат попали в плен. Трофеями русской армии стали 17 орудий, 44 знамени и около 3 тысяч повозок с провиантом и боеприпасами. К королю генерал Левенгаупт смог привести всего лишь около 6 тысяч солдат.
В октябре 1708 года стало известно об измене украинского гетмана Мазепы, который состоял в переписке с Карлом XII и обещал ему, в случае прибытия на Украину, 50 тыс. казацкого войска, продовольствие и удобную зимовку. 28 октября 1708 года Мазепа во главе отряда казаков, численностью около 5 тысяч человек, прибыл в ставку Карла. После его измены на всеукраинской раде в городе Глухове был избран новый гетман — стародубский полковник И. С. Скоропадский. Тогда же русские войска во главе с Меншиковым штурмом взяли резиденцию Мазепы — городок Батурин, обороной которого руководил полковник Дмитрий Чечель во главе пятитысячного гарнизона.
Кампания 1709 года.
27 июня 1709 года состоялось генеральное сражение между шведскими войсками и армией Петра I близ Полтавы, которую безуспешно осаждали шведы. Русская армия имела численное преимущество в людском составе (50 000 солдат у русских против 30 000 у шведов) и артиллерии (102 орудия против 41 орудия у противника). После личного осмотра местности, Пётр I приказал строить поперёк поля линию из шести редутов, на расстоянии ружейного выстрела друг от друга. Затем перпендикулярно им началось возведение ещё четырёх редутов (два из них к началу сражения достроить не успели). Теперь в любом случае шведской армии в ходе атаки предстояло двигаться под огнём противника. Редуты составляли передовую позицию русской армии, что было полной неожиданностью для шведов. Сражение началось в 3 часа утра, когда произошло столкновение русской и шведской кавалерии, и через два часа последняя была опрокинута. Наступающие шведские войска напоролись на поперечные редуты, о которых им не было известно, и понесли большие потери. Шведская пехота попыталась прорваться через линию редутов, но сумела овладеть только двумя из них. 20-тысячная шведская армия (ещё около 10 тысяч человек остались в шведском лагере под Полтавой), наступала 4 колоннами пехоты и 6 колоннами кавалерии. Задуманный Петром I план удался — две шведские правофланговые колонны генералов Росса и Шлиппенбаха при прорыве через линию редутов оказались отрезанными от главных сил и были уничтожены русскими в Полтавском лесу. В 6 часов утра царь Пётр I выстроил русскую армию перед походным лагерем в две линии: пехота в центре, драгунская кавалерия на флангах. Полевая артиллерия находилась в первой линии. 9 пехотных батальонов остались в лагере как резерв. Перед решающей схваткой российский государь обратился к своим воинам со словами: «Воины! Вот пришёл час, который решит судьбу Отечества. И так не должны вы помышлять, что сражаетесь за Петра, но за государство, Петру вручённое, за род свой, за Отечество… Не должна вас также смущать слава неприятеля, будто бы непобедимого, которой ложь вы сами своими победами над ним доказывали… А о Петре ведайте, что ему жизнь его недорога, только бы жила Россия в блаженстве и славе для благосостояния нашего». Шведская армия также приняла линейный боевой порядок и в 9 часов утра пошла в атаку. В ожесточённой рукопашной схватке шведам удалось потеснить центр русских, но в эти минуты Пётр I лично повёл в контратаку второй батальон Новгородского полка и восстановил положение. Тогда Карл XII решил обойти редуты с севера по краю Будищенского леса, но тут его встретил Меншиков, успевший перебросить сюда свою конницу. В ожесточённом бою русские драгуны заставили шведов отойти. После этого русской драгунской кавалерии удалось обойти фланги шведской армии. Тогда Пётр I приказал подать сигнал к общей атаке. Под натиском русских войска шведов обратились в бегство. Карл XII напрасно пытался остановить своих солдат. Бегущих преследовали вплоть до Будищенского леса. К 11 часам Полтавская битва закончилась полным разгромом шведской армии. После разгрома под Полтавой армия шведов бежала к Переволочне — местечку у впадения Ворсклы в Днепр. Но переправить армию через реку оказалось очень сложно. Тогда Карл XII вверил остатки своей армии Левенгаупту и вместе с Мазепой бежал в Очаков. 30 июня 1709 года остатки шведской армии были окружены войсками под командованием Меншикова и капитулировали. На берегах Днепра у Переволочны русскому 9-тысячному отряду в плен сдались 16 947 вражеских солдат и офицеров во главе с генералом Левенгауптом. Трофеями победителей стали 28 орудий, 127 знамён и штандартов и вся королевская казна. За участие в Полтавской битве государь Пётр I удостоил Меншикова, одного из героев разгрома королевской армии Швеции, званием генерал-фельдмаршала. Полтавская победа была добыта «малой кровью». Потери русской армии на поле битвы составили всего 1 345 человек убитыми и 3 290 ранеными, тогда как шведы потеряли 9 234 человек убитыми и 18 794 пленными (с учётом пленённых у Переволочны). Испытанная в походах по Северной Европе королевская армия Швеции перестала существовать. После поражения под Полтавой Карлу XII удалось укрыться в Османской империи, где он старался убедить султана Ахмеда III начать войну против России.