27 июня было назначено днем главной баталии. Шведы предупредили русских: перед рассветом они бросились на русскую конницу с страшною «фуриею» и овладели двумя редутами, которые еще не были отделаны; генерал Ренне был ранен и должен был сдать начальство генералу Боуру, но зато шесть батальонов неприятельской пехоты и несколько десятков эскадронов кавалерии были отрезаны от главной армии и принуждены уйти в лес. Генерал Боур получил приказание отступить вправо от русского ретраншемента, чтоб дать время выйти из него пехоте. Боур начал отступление; неприятель, преследуя его, получил себе русский ретраншемент во фланг, и когда Левенгаупт с пехотою приблизился к нему на расстояние 30 саженей, то встречен был убийственным огнем, принужден был прекратить преследование русской конницы и стал к лесу вне выстрелов. Между тем Меншиков и генерал Ренцель с пятью полками конницы и пятью батальонами пехоты атаковали лес, где стояли оторванные в начале дела шведы: здесь неприятель был побит наголову, генерал Шлиппенбах взят в плен, за ним принужден был сдаться и генерал Розен. В то же самое время пехота была выведена из ретраншемента и шесть полков кавалерии взяты с правого крыла, обведены позади пехоты и поставлены на левом крыле. Таким образом, русская армия стала в ордер баталии, и решено было атаковать неприятеля; шведы, не дожидаясь на месте, двинулись навстречу к русским, и в 9 часу утра началась «генеральная баталия».
Два часа кипел отчаянный бой. Петр распоряжался в огне, шляпа его и седло были прострелены. Карла с больною ногою возили в коляске между солдатскими рядами, как вдруг пушечное ядро ударило в коляску, и король очутился на земле. Солдаты, находившиеся вблизи, подумали, что Карл убит, и ужас овладел полками, уже и без того колебавшимися. Карл велел поднять себя и посадить на перекрещенные пики; тут увидал он всеобщее замешательство своих и закричал в отчаянии: «Шведы! Шведы!» Но шведы бежали и не слыхали голоса своего короля. Прискакал Реншельд и успел проговорить: «Ваше величество, наша пехота потеряна! Товарищи, спасайте короля!» С этими словами он ринулся опять в расстроенные ряды своего войска и был взят в плен. Тут всякий порядок исчез, все побежало.
«Хотя и зело жестоко во огне оба войска бились, однако ж то все далее двух часов не продолжалось: ибо непобедимые господа шведы скоро хребет показали, и от наших войск с такою храбростию вся неприятельская армия (с малым уроном наших войск, еже наивящше удивительно есть), кавалерия и инфантерия весьма опровергнута, так что шведское войско ни единожды потом не остановилось, но без остановки от наших шпагами и байонетами колоты, и даже до обретающегося леса, где оные пред баталиею строились, гнали, при том вначале генерал-майор Штакельберг, потом же генерал-майор Гамильтон, такожде после фельдмаршал Рейншильд и принц виртембергский купно с многими полковники и иными полковыми и ротными офицеры и несколько тысяч рядовых, которые большая часть с ружьем и с лошадьми отдались и в полон взяты. Неприятельских трупов мертвых перечтено на боевом месте и у редут 9234, кроме тех, которые в розни по лесам и полям побиты и от ран померли. И тако милостию всевышнего совершенная виктория (которой подобной мало слыхано), с легким трудом и малою кровию против гордого неприятеля чрез самого государя персональной, храброй и мудрой привод, и храбрость начальных и солдат, одержана; ибо государь в том нужном случае за людей и отечество, не щадя своей особы, поступал, как доброму приводцу надлежит. При сем же и сие ведать надлежит, что из нашей пехоты только одна передняя линея с неприятелем в бою была, а другая до того бою не дошла».
Усталые, волнуемые не испытанными никогда ощущениями, царь, генералы и офицеры после молебна сели в палатках обедать. Светлое чувство неизмеримой радости не допускало никаких темных чувств: всех сюда! и пленных шведских генералов усадили тут же за стол; Петр ласкал фельдмаршала Реншельда, хвалил его храбрость, подарил ему свою шпагу. Во время обеда привели Пипера, который, видя страшное поражение, потеряв из виду короля, не зная куда бежать, сам приехал в Полтаву и отдался в плен с двумя секретарями королевскими. Пипера с товарищами также усадили обедать. Гремели пушки, царь провозгласил тост за здоровье учителей своих в военном искусстве. «Кто эти учителя?» — спросил Реншельд. «Вы, господа шведы», — отвечал царь. «Хорошо же ученики отблагодарили своих учителей!» — заметил фельдмаршал.
Но где король? Часть шведов ушла, не преследуемая. Неожиданное счастие так поразило, что позабыли о необходимости преследования… Только уже вечером послали в погоню князя Мих. Мих. Голицына с гвардиею и генерала Боура с драгунами.
В тот же вечер написаны были письма к своим, к Ромодановскому, Апраксину и другим; к пресбургскому королю Петр писал: «Доносим вам о зело превеликой и неначаемой виктории, которую господь бог нам чрез неописанную храбрость наших солдат даровать изволил с малою войск наших кровию таковым образом: сегодня на самом утре жаркий неприятель нашу конницу со всею армеею, конною и пешею, атаковал, которая хотя по достоинству держалась, однако ж принуждена была уступить, токмо с великим убытком неприятелю; потом неприятель стал во фрунт против нашего лагору, против которого тотчас всю пехоту из транжамента вывели и пред очи неприятелю поставили, а конница на обеих флангах, что неприятель, увидя, тотчас пошел атаковать нас, против которого наши встречю пошли и тако оного встретили, что тотчас с поля сбили, знамен, пушек множество взяли, також генерал-фельдмаршал господин Рейншельд купно с четырьмя генералы, також первой министр граф Пипер с секретарями в полон взяты, при которых несколько тысяч офицеров и рядовых взято, и, единым словом сказать, вся неприятельская армия фаетонов конец восприяла (а о короле еще не можем ведать, с нами ль или со отцы нашими обретается), а за разбитым неприятелем посланы господа генералы-порутчики князь Голицын и Боур с конницею, и сею у нас неслыханною новиною вашему величеству поздравляю». К письму Апраксину приписано: «Ныне уже совершенно камень во основание С. Петербурга положен с помощию божиею».
Утро было мудренее вечера: на другой день, 28 числа, отправился Меншиков в погоню за неприятелем. Остатки шведской армии, бежавшие 27 числа из-под Полтавы, находились в совершенном расстройстве, и великим счастием для них было то, что русские оставили их без преследования. Шведы бежали вдоль Ворсклы к Днепру. Перед рассветом 29 июня достигли они Новосенжарова; истомленного Карла внесли в дом, перевязали ногу, он заснул глубоким сном. Но когда совершенно рассвело, его разбудили: «Русские приближаются; если ваше величество изволите приказать, мы пойдем дальше». «Да, да, делайте, что хотите», — отвечал Карл; запылали повозки, лошадей из-под них роздали пехотинцам, и шведы побежали дальше к Днепру. 30 июня после полудня увидали они наконец Днепр у маленького городка Переволочны, где впадает Ворскла, но вместо городка увидали одну кучу развалин и ни одной лодки на реке, ни одного человека в опустелых окрестностях. Как же переправиться за Днепр? А русские близко: как от них оборониться? Нет ни артиллерии, ни пороху, солдаты истомлены, совершенно упали духом. Генералы уговорили Карла оставить армию и переправиться за Днепр. Отыскали две лодки, связали вместе и поставили на них повозку короля, так что задние колеса были в одной лодке, а передние в другой, и таким образом поздно ночью переправили на другой берег; Карл взял с собою серебряный столовый сервиз и деньги, собранные в Саксонии. Нашлась лодка и для Мазепы, который успел захватить с собою два бочонка с золотыми. Другие, назначенные сопровождать короля, переправились кто как мог: запорожцы много помогли своим искусством в переправах, но много потонуло.
Большая часть войска осталась на левом берегу под начальством Левенгаупта, но никто не думал повиноваться какому бы то ни было начальнику: одни хлопотали, как бы переправиться за Днепр вслед за королем; другие, истомленные, лежали в глубоком сне. На рассвете другого дня Левенгаупт и Крейц начали хлопотать, как бы привести в устройство армию, но едва половина солдат собралась под знамена; многие остались на берегу, другие стояли неподвижно в отдалении, на призыв генерала не отвечали ни слова, смотрели бессмысленно, да и на лицах тех, которые собирались под знамена, выражалось отчаяние. Когда совсем рассвело, Крейц подъехал к Левенгаупту и сказал: «Генерал, уже поздно! Русские стоят за возвышенностями и прислали к нам с требованием сдачи». То был Меншиков с 9000 конницы. На всех возвышенностях раздались звуки труб и барабанов, как будто целая русская армия была тут, и между шведами сейчас же распространился слух, что 30000 русских готовы к нападению. Левенгаупт, видя состояние своего войска, не имел никакой надежды на успех сопротивления и послал Крейца с тремя товарищами к Меншикову договариваться о сдаче. Меншиков предложил им сдаться военнопленными с выдачею оружия и военных запасов, с сохранением платья и частного имущества; запорожцы и бунтовщики исключаются из этого условия. Предложение было принято.