Теперь русские войска выстроились на поле в боевом порядке: пехота в центре, между ее полками – артиллерия, по флангам – кавалерия. Существуют рассказы, возможно, придуманные позже, что накануне битвы Петр приказал закаленным в боях солдатам надеть вместо старых, поношенных мундиров новые, а новобранцам – старые. Хитрость состояла в том, чтобы шведы направили свой удар на молодых, необстрелянных солдат в новеньких мундирах, и она удалась. В начале девятого около 18 тысяч шведов двинулись в новое наступление. (Казаки Мазепы в наступлении не участвовали. Вероятно, они еще до наступления разбежались.) Стремительность напора шведов в самый центр построения русских, где стоял Новгородский полк, заставила отступить первый, а за ним и еще четыре батальона новгородцев, которые бросили две полковые пушки. Петр лично повел новые батальоны, чтобы закрыть полученную брешь, и это ему удалось сделать. Правда, в пылу атаки он не заметил, как какой-то швед с расстояния 3–5 метров выстрелил в него. Одна пуля прошила поле шляпы царя в дюйме (2,54 см) от правого виска, а вторая – впилась в переднюю луку седельного остова.
Реншельд, командовавший армией из-за ранения Карла, бросил свою кавалерию в бой на левом фланге в обход русского правого фланга, но ее отбросили отряды Меншикова и Брюса. Вновь заработала русская артиллерия. Черная гарь, пыль, грохот, жара превратили поле битвы в пекло, в котором трудно было отличить «синих» от «зеленых». Наконец русские полки по сигналу Петра начали общую атаку. Шведы побежали, их ряды охватила паника. Они не слушали приказов короля, поднятого на руки солдат и безуспешно пытавшегося вдохновить свое разгромленное воинство.
Победа русских оказалась полной. В ходе сражения шведы потеряли 9234 убитыми, 3 тысячи пленными, наши – 1345 убитыми, 3290 ранеными. В руки победителей попали все обозы, много трофеев.
Король Карл XII и И. Мазепа спасались бегством с остатками армии на запад, к Днепру. Русская кавалерия преследовала их, но вскоре уставшие кони остановились. Лишь на утро следующего дня царь Петр отправил в погоню 9-тысячный корпус А. Д. Меншикова и украинские казацкие полки под командованием Семена Палия. Эти войска захватили в плен более 16 тысяч шведских офицеров и солдат во главе с Левенгауптом. Вместе с ним в плен попали два генерал-майора, 10 полковников, 14 подполковников, 22 майора и другие офицеры шведской армии.
Карлу XII, И. Мазепе, небольшому числу шведов и казаков удалось бежать в пределы Турции. По словам очевидца, И. Мазепа уносил с собой
Победитель торжественно вошел в Полтаву. В ставке Меншикова прямо на земле (как на пикнике) устроили пир для генералитета. При каждом тосте за царя, царевича, его семью гремело громкое ура, стреляли пушки. Вскоре к русскому генералитету присоединились пленные шведы: фельдмаршал Реншельд, четыре генерал-майора и принц Макс Эммануил. Петр с уважением отзывался о короле Карле XII, поднимал тосты заучителей-шведов. Высоко он оценил и доблесть фельдмаршала Реншельда: царь преподнес ему шпагу и разрешил ее носить.
Полтавская битва является одной из решающих битв мировой истории. Она стала переломным событием, которое давало новые перспективы для государств и народов. Швеция оказалась обескровленной. Первоклассной шведской армии более не существовало. Изменился ход Северной войны. Россия стратегию «малой войны» и уклонения от полевых сражений сменила наступлением на всех фронтах. Полтава дала свободу действий в Речи Посполитой, на Балтике и в Северной Германии. Дания и Речь Посполитая вновь заявили о возобновлении Северного Союза и выступили против Швеции. Сфера влияния победившей страны выросла в Англии, Франции, особенно в Польше, Северной Германии и даже на Балканах, где вспыхнули надежды на освобождение от османского ига православным царем.
Русские войска, несмотря на бесславный поход в 1711 году под руководством Петра I на Прут против турецкой армии, потерю русскими Азова, Таганрога и ряда других крепостей на юге, на северо-западе овладели Ригой, Ревелем (Таллинном), шведской крепостью Выборгом. Военные действия вышли за пределы России.
После полтавского триумфа Петербург, маленький прифронтовой городок, оказался почти полностью застрахованным от нападения и на 200 лет превратился в главный город державы. Под Полтавой была, по словам В. Г. Белинского,
И вновь реформы. Завершение Северной войны