К началу сражения численность русских составляла 42 тыс. человек, а шведов— 35 тыс. Войска Петра I отразили 20 штурмов города и планомерно изнуряли врага.
Наконец, пустив в бой кавалерию, российские войска ударили по шведам в полевом сражении. Возглавляемое лично Карлом XII шведское войско сражалось ожесточенно, оттесняя левый фланг русских. Захватчикам удалось отбить несколько русских пушек и пустить их в ход. Тогда Петр I лично вступил в сражение, встав во главе батальона. Воодушевленные присутствием правителя войска вернули орудия и обратили противника в бегство.
После сокрушительного поражения на боевую славу шведов упала большая тень — армию перестали считать непобедимой. Захватчик утратил стратегическое превосходство, а международный авторитет Карла XII серьезно снизился. Швеция утратила свои позиции в Прибалтике, в то время как Россия, напротив, укрепила их и стала морской державой, получив выход к морю.
Шведы потеряли более 9 тыс. убитыми и 19 тыс. пленными. При этом русское войско лишилось около 13,5 тыс. человек убитыми и около 3,3 тыс. ранеными.
Полтавское сражение считается переломным моментом в Северной войне, благодаря которому итоговая победа досталась российским войскам.