1700年9月23日，4万俄军在彼得率领下包围了纳尔瓦。瑞典守军只有2000人。俄军大炮质量低劣，粮弹不足，辎重落在后面很远，供应不上；士兵缺乏训练，包围近两个月，无力攻占纳尔瓦。11月19日，瑞典国王查理十二世率领8000名瑞军，突然出现在纳尔瓦的俄军阵前，利用狂风呼啸、大雪纷飞的天气向俄军发动猛烈进攻，半个多小时就冲进俄军阵地，数万俄军迅即瓦解。俄军损失1.7万人，大炮全被缴获。
彼得一世从这次失败中总结了教训。他后来说，纳尔瓦惨败是个很好的学校，没有纳尔瓦，就没有波尔塔瓦的胜利。而查理十二世却认为俄军已被击溃，把主力转向波兰作战。彼得却抓紧了军事、外交准备，以便转败为胜。外交上，利用波兰拖住瑞典。军事上，一面以顽强的毅力和惊人的气魄进行军事改革，开发乌拉尔，发展军工；一面抓住时机运用灵活的战略战术，趁查理十二世调兵西向之隙，在芬兰湾沿岸接连取得胜利。1702年攻占诺得堡后改名为什利谢利堡，意为“通向海洋的钥匙”。1703年5月攻占尼恩尚茨。5月16日彼得下令在涅瓦河口建立彼得堡要塞，为建立新都圣彼得堡奠定了基础。俄军接着占领了维堡、捷尔普特等地。1704年攻占了尤里耶夫、纳尔瓦、伊凡哥罗德等城，打开了俄国通往欧洲的门户。
查理十二世在波兰取得一些胜利，1706年迫使波兰国王奥古斯都投降并退出战争，北方同盟瓦解。查理十二世率军东向，企图进攻莫斯科。彼得实行战略退却，诱敌深入。1708年6月，瑞军在明斯克发动攻击，7月7日占领莫吉廖夫，9月进入俄国边境。俄国实行坚壁清野，瑞军面临饥饿威胁。进入冬季，俄罗斯平原千里冰封，查理十二世率军南移。一路战斗，却找不到休整、补给的地方。1709年4月1日，瑞军倾全力3.5万人包围了波尔塔瓦。彼得准备在此与瑞军决战，调集了总兵力约4.2万人投入战斗。瑞军劳师远征，粮弹不足，又无援军，处于劣势。6月27日清晨决战开始，激烈的战斗只进行两个多小时（上午9—11点），瑞军大败。被打死9000人，包括总指挥在内的几乎全部军官被俘。查理十二世的坐骑也被打死，他被抬上马车匆忙渡河逃入土耳其属地。
波尔塔瓦战役是北方战争的转折点，也是俄、瑞两国在欧洲地位升降的转折点。恩格斯曾评论说，瑞典的“实力和威望正是由于查理十二世作了入侵俄国的尝试而丧失的；查理十二世以此葬送了瑞典”。而对于俄国来说，伏尔泰曾这样评论：“地球上一个面积最大的帝国的幸福就是波尔塔瓦赋予的结果。”波尔塔瓦胜利后，俄国国内精神为之一振。俄军行动转移到波罗的海沿岸，接连占领一些地区。1710年占领里加、列维尔、彼尔诺夫等城。1712—1714年，又先后占领赫尔辛基、阿皮等芬兰城市。1713年彼得下令把首都从莫斯科迁往彼得堡。就地理位置来说，彼得堡地处西北一隅，作为政治中心远不如莫斯科那样适中；而且这一地区俄军占领不久，战争正在进行，把沙皇宝座匆忙迁到这一新建的首都来，表现了彼得的深谋远虑和他面向欧洲的决心，同时也表明波罗的海对于俄国有怎样重要的意义。新都彼得堡的建设在战争环境里加紧进行，彼得堡的城市建筑面貌成为彼得欧化政策的展览馆。
1714年7月，俄瑞双方舰队在芬兰的汉古特进行决战，瑞典失败。1720年7月，俄军在瑞典登陆。俄国舰队同时在格连加姆岛取得胜利，瑞典舰队被摧毁。持续21年的北方战争至此结束。
俄瑞双方代表经过谈判，1721年9月10日签订《尼什塔特和约》。条约规定瑞典把俄军占领的立夫兰（拉脱维亚）、爱·斯特兰（爱沙尼亚）、英格里亚、部分卡累利亚连同维堡区都交给俄国。俄国把所占芬兰归还瑞典。
《尼什塔特和约》巩固了俄国在北方战争中取得的胜利，确认波罗的海东南岸地区归属俄国。从此俄国打开了通往西欧的门户，变成濒海强国。如著名诗人普希金所描述的，“俄国在斧头的咚咚声和大炮的轰鸣声中，像一艘新下水的军舰驶进了欧洲强国的大家庭”。
和约签订的消息传到彼得堡，全城欢腾，鸣炮、游行、狂欢舞会，持续了一周。
俄国参政院为表彰彼得一世在北方战争中建树的功勋，1721年10月22日，给彼得上尊号为“全俄罗斯大帝”和“祖国之父”。最高大臣格·戈洛夫金在致颂辞中说，彼得大帝使俄罗斯人“从愚昧无知的深渊登上了世界光荣的舞台”。从此莫斯科公国变成了俄罗斯帝国。
俄罗斯帝国的建立改变了俄国面貌和俄国历史发展的进程。俄国在北方战争中扩展了大片北方领土，多民族国家进一步扩大，波罗的海出海口的取得，进一步加强了俄国与西欧的贸易和文化交往。彼得大帝为俄罗斯帝国的发展奠定了基础。