1707年秋，瑞军自萨克森出发，于1708年初进入格罗德诺，同年6月强渡别列津纳河，逼近俄国边界。俄军于1708年7月14日在戈洛夫钦战役中受挫而退到第聂伯河对岸，集中在戈尔基镇附近的筑垒兵营内。6月，列文霍普特将军的军队携带大批粮食和弹药从里加出发，前来与主力部队会合。查理十二世未等该军到达，就于8月自莫吉廖夫向斯摩棱斯克推进。但是，瑞军先头部队分别于9月10日、9月20~21日在多布罗耶村和拉耶夫卡村附近的战斗中遭到失败，约5000人被击毙。查理十二世希望得到马泽帕的援助，期待土耳其和克里木汗对俄作战，因而放弃了对斯摩棱斯克的进攻，而转向乌克兰。9月底，瑞军沿通往斯塔罗杜布的道路前出到科斯捷尼奇，等候列文霍普特军。但是，彼得一世亲率游动队于1708年10月9日在列斯纳亚村附近的战役中击溃了1.6万人的列文霍普特军。此时，来自爱沙尼亚的什特罗姆别尔格所部2000人和来自维堡柳别克尔军的1.2万人对彼得堡的进攻也都遭到失败。俄军在涅瓦河畔的大捷为进一步增强波罗的海舰队的力量创造了条件，使鲍尔将军的军、防守彼得堡的阿普拉克辛部队的8个正规步兵团和骑兵团与主力部队会合。
舍列梅捷夫抢赶在瑞军前卫队之前到达波切普、斯塔罗杜布和诺夫哥罗德-谢韦尔斯基等城，从而使这些城市没有被敌占领。各城居民都参加了守城。黑特曼马泽帕的叛变使军事行动的进程复杂化了，但并未引起彼得一世和俄军将领的恐慌。缅希科夫果敢地袭击了巴图林城，毁掉了那里为敌人储备的粮食、武器和弹药，运出全部火炮。戈利岑占领了马泽帕的另一个大型据点白采尔科维，因而使自波兰增援查理十二世的部队难于到达。乌克兰农民和市民到处反抗侵略者，居民严惩“马泽帕部下”，乌克兰军队绝大多数人忠于同俄国的结盟，米尔哥罗德团团长阿波斯托尔和奇吉林团团长加拉甘等人都很快率部逃离马泽帕，加入乌克兰军队，这一切暴露了马泽帕和查理十二世的政治和军事策略不得人心。
因马泽帕叛变而重建的乌克兰军队，在新黑特曼斯科罗帕茨基和从流放中回来的白采尔科维团团长帕利的率领下，已于1708年底在第聂伯河左岸的乌克兰地区打击瑞军。为了切断查理十二世军队与波兰的联系，彼得一世于1707年12月将戈利茨将军的几个团调往第聂伯河对岸，接近波兰边境；将7个龙骑兵团调往立陶宛以加强奥古斯都二世追随者的部队和俄国盟友黑特曼西尼亚夫斯基的部队。由于俄军和斯科罗帕茨基各团巧妙地实施机动而形成的乌克兰军事和政治形势，以及彼得一世所采取的以亚述海舰队军事示威为后盾的外交行动，迫使土耳其和克里木汗中断了与查理十二世特使的秘密谈判，放弃了加入瑞典一方参战的企图。
1708~1709年之间的冬季，瑞军驻扎在普里卢基、加佳奇、罗姆内和洛赫维察地域。1708年11月，由于当地居民在俄军正规部队协助下进行积极的抵抗，瑞军扩大这一进攻基地的企图被粉碎。乌克兰居民拒绝执行马泽帕向瑞军提供粮秣的命令，而与俄军士兵一起守卫江河的徒涉场和渡口，在路旁和森林里伏击敌人。查理十二世和马泽帕没有预料到事件会出现这样的变化，于是对当地居民实行残酷的镇压，但其结果却激起了居民对侵略者的更大规模和更加坚决的抵抗。
俄军主力封锁了瑞军从哈尔科夫至别尔戈罗德的道路后，集结在博戈杜霍夫、阿赫特尔卡、列别金和苏梅地域。瑞军的秣严重匮乏，迫使查理十二世于1709年春转向南方，即尚未遭受战争蹂躏的波尔塔瓦地区。1709年4月，瑞军集中在波尔塔瓦地域。他们从行进中夺取波尔塔瓦的企图，以及随后几次同样的突击均因遭到要塞驻防军和居民的英勇抵抗而未获成功。1709年7月8日，在波尔塔瓦战役中，俄军在彼得一世指挥下击溃了瑞军。6月30日，查理十二世的残部在佩列沃洛奇纳被缅希科夫的几个团追上，不战而降，而国王和马泽帕则带少数随从逃往土耳其。波尔塔瓦的胜利是北方战争的转折点，它预先注定了战争的结局将有利于俄国。
第三阶段。俄军在乌克兰击溃查理十二世的精锐部队后，于1710年占领里加、雷瓦尔、凯克斯霍尔姆、维堡和厄塞尔岛。奥古斯都二世重新获得了波兰王位，他的军队在缅希科夫军团的协助下将克拉索夫团和列琴斯基团逐到了波美拉尼亚。与此同时，一些西方强国，首先是英国，所采取的敌对的外交行动，使北方战争的进程复杂化了。英国不仅企图分裂“北方同盟”，而且于1710年春在海牙与奥地利和荷兰签订了保持“中立”的协定。同时，查理十二世还在英国和奥地利的外交援助下，成功地使土耳其也加入了北方战争。1710年，土耳其对俄宣战。彼得一世虽然在普鲁特河进军中受挫，但他以割让亚速城的代价与土耳其达成停战协定。然而，在缔结亚得利亚那堡和约之前，俄国还不得不在乌克兰保持庞大的军事力量。1713年，彼得一世以1个独立英格曼兰军的兵力，在大桡战船分舰队和帆船队的协同下，对芬兰境内的瑞军展开了坚决的进攻。1713年夏，先后占领赫尔辛福斯和亚波，并于同年10月17日在波尔基纳村附近的战役中重创瑞军。1714年3月，戈利岑在拉波拉村附近击溃瑞军，继而占领瓦扎城。由于俄国桡桨战船队在汉科角海战中获胜，瑞军被彻底逐出芬兰。
争夺西班牙王位继承权战争结束后，列强对北方战争进程的干涉加强了。俄国在外交上巧妙地利用了列强之间的矛盾和国际形势的变化，积极对抗他们的敌对行动。具有重要意义的是：彼得一世保留了从瑞典手中夺取的一些城市的贸易和其他特权；俄国于1713年与汉堡、卢卑克和但泽当局签订了协定，使他们在波罗的海享有与俄国进行“自由贸易”的权利；以及俄法普三国缔结了同盟和友好的阿姆斯特丹条约。彼得一世外交方针的大胆改变，使瑞典的外交形势急剧恶化，迫使查理十二世向俄国求和。尽管受到英国和汉诺威的外交压力和军事威胁，但俄瑞间的和约条款仍于1718~1719年在阿兰会议上达成协议。可是，查理十二世的突然死去为埃列奥波拉女王取得瑞典政权，带来了重重困难。
结束阶段。英国为了不使俄国在波罗的海沿岸站稳脚跟，于1719年8月同瑞典签订条约。根据条约，英国承担下述义务，即一旦俄国拒绝英国强行提出的由英国“调停”俄瑞两国关系的建议时，就给予瑞典军事援助。此后，汉诺威、普鲁士、萨克森和丹麦也在英国外交压力之下，与瑞典缔结了和约。英国虽未对俄宣战，但却把俄国大使逐出伦敦，并3次将诺里斯海军上将的分舰队派往波罗的海，企图挑起与俄国舰队的冲突并予歼灭。但彼得一世采取了外交措施，得以防止同英国发生战争，粉碎了英国将其他国家拖入对俄战争的企图。诺里斯未能歼灭在海岸炮兵防卫下隐蔽在港湾和岩岛群的俄国舰队。同时，俄国舰队在厄塞尔海战和格连加姆岛附近的交战中取得辉煌胜利，表明了俄国海军较之瑞典海军已占极大优势。瑞典海军在遭到重大损失后，已无力保卫本土，阻止俄国强大的登陆兵登陆。1720年，瑞典同俄国恢复和谈，缔结了尼什塔特和约。俄国在北方战争中取得胜利，圆满地结束了它为争夺波罗的海出海口而进行的长期斗争；这些胜利与彼得一世实行重大的内部改革一起使俄国成为一个强国。
由于彼得一世军事改革而建立的俄国正规陆军和海军在战争过程中显示出了良好的战斗素质。俄军战略的特点是达到目的的决心坚定、斗争样式灵活。彼得一世力求在野战中歼灭敌有生力量，而不是攻占要塞。他反对在敌交通线上实施徒劳无功的机动，反对采用警戒线体系作战。俄军准确地选择主要突击方向，根据武装斗争机动方式的改进发展战略。正规军的行动与居民的游击活动相结合。广泛地使用游动队和实施独立支队袭击，以及经常派遣骑兵骚扰敌后和歼灭部署孤立之敌。圆满完成组织陆海军同时在数个方向上协同行动的任务，探索并采用海军同海上劲敌作战的方法。在北方战争中，线式战术达到了发展的高峰。同时，出现了淘汰这一战术的趋势——在战斗队形的两翼集中兵力。更有效地利用多面堡垒和筑垒兵营内的各种火器。预备队的作用大大提高，掷弹兵被作为步兵的一个新兵种划分出来，骑兵形成为一个兵种。炮兵第一次出现团的编制，工程兵也首次有了固定的分队编制。在步兵和骑兵中出现了兵团的编制。装备有60~80门火炮的战列舰成为舰队的基本战斗单位，而总队成为桡桨战船队的高级兵团。陆海军的中央指挥机关在组织上固定下来了。军事委员会在制订战争计划和指挥战争上的作用得到了提高。