В 1708 году наступил час решающих испытаний. Развязав руки на западе, 63-тысячное войско Карла XII двинулось к российским рубежам. Армия Петра, расквартированная в западной Белоруссии, насчитывала около 100 тысяч человек. Несмотря на количественный перевес русских, в качественном отношении превосходство было пока на стороне шведов. Так, 3 июля в сражении под Головчином им удалось одержать победу над дивизией А.И. Репнина, бывшей на хорошем счету у царя. Однако король не использовал преимуществ Головчинской победы. Его войско замерло в Могилеве в ожидании подкреплений и обозов из Риги. Корпус лифляндского губернатора А.Левенгаупта запаздывал, и Карл решил в августе перейти к активным действиям. Но в столкновении под селом Добрым его полки были отброшены, а в сражении у Раевки на Смоленщине сам король едва не попал в плен, причем его кирасирский полк оказался полностью истребленным. Тактика Петра и его штаба заключалась в ведении маневренной войны, избегая прямых столкновений и нанося урон неприятелю по частям, нападая на его тылы и вспомогательные отряды. В таких условиях Карлу пришлось рисковать, и в сентябре он поворачивает на юг, к ставке украинского гетмана И.Мазепы, чьей поддержкой он заручился через своего вассала – Станислава Лещинского. 28 сентября отчаянно торопившийся на встречу с королевской армией корпус Ле-венгаупта был настигнут у деревни Лесной русским корволантом и после многочасового сражения наголову разбит. Из 16 тысяч воинов спаслись лишь 7 тысяч, а артиллерия шведов осталась без пороха, бомб и ядер. Тем временем попытка 13-тысячного корпуса генерала Любекера овладеть устьем Невы и Петербургом закончилась полным провалом: гарнизон адмирала Ф.М.Апраксина заставил противника ретироваться с большими потерями.
Несмотря на неоднократные предупреждения о возможной измене, Петр продолжает до последнего момента полностью доверять Мазепе, памятуя о его победах над турками и татарами в 1695 – 1696 годах. 24 октября гетман переходит на сторону неприятеля, принеся королю Карлу крестное целование от имени украинского народа и казацкой старшины. В третий раз, после Нарвы и гродненских событий 1705 года, над российской армией нависла серьезнейшая опасность.
Реакция петровского штаба оказалась молниеносной. К ставке Мазепы – городу Батурину, заполненному приготовленными для каролинцев боеприпасами и провиантом – устремился корволант А.Д.Меншикова. «Светлейший» сумел опередить противника; в декабре Мазепа и шведы увидели на месте богатой загородной резиденции дымящиеся развалины. Их попытка овладеть Стародубом и Новгородом-Северским не удалась – гарнизоны, сохранившие верность Петру, закрыли ворота. На стороне бывшего гетмана (в начале 1709-го Верховная Рада избрала нового главу – Скоропадского) остались лишь около 3 тысяч казаков. В целом население Украины сопротивлялось оккупации, что показала героическая оборона крепости Веприк зимой 1708/09 года.
1 мая 1709 года король Швеции отклонил очередную мирную инициативу царя. Он требовал полной капитуляции в Москве и выплаты контрибуции. Через 4 дня выяснилось, что Карл двинулся к Полтаве. Безуспешная осада, перемежавшаяся такими же бесплодными штурмами, в общем-то слабо укрепленной крепости с малочисленным гарнизоном (комендант – полковник А.С.Келин) продолжалась почти 2 месяца. 20 июня к берегам Ворсклы подошла русская армия.