Северный союз распался. Речь Посполитая, хотя и подтвердила союз с Россией, однако практически никакой поддержки она оказать не могла и после 1710 г. фактически вышла из войны. Россия осталась один на один против шведов, все еще окруженных ореолом непобедимости. Вся Европа с трепетом ожидала, куда дальше из Саксонии двинется шведская армия. Французский король Людовик XIV пробовал склонить Карла XII оказать помощь Франции в Войне за испанское наследство. Англия со своей стороны направила к нему главнокомандующего и лидера вигского кабинета герцога Мальборо. Но Карл отказался вмешиваться в войну на западе континента до завершения войны на востоке. В августе 1707 г. его армия направилась к русской границе. Положение дел заставляло Петра I пытаться заручиться благожелательным посредничеством западноевропейских держав для заключения мира с Швецией на весьма умеренных условиях сохранения за Россией отвоеванного в 1702–1704 гг. побережья Финского залива. С этой целью в мае 1707 г. в Лондон прибыл русский посол в Голландии А. А. Матвеев, предложивший правительству Англии как самому влиятельному участнику «Великого союза» военные и материальные услуги России против Франции. Но в то время в Западной Европе не верили в силы России. Английские политики не хотели допускать ее в «Великий союз» и уклонились от посредничества из опасения вызвать этим недовольство шведского короля. Матвееву пришлось покинуть Лондон, не добившись успеха. Пребывание Матвеева в Англии было омрачено инцидентом, оскорбительным как для самого посла, так и для русского правительства. Поздно вечером в своей карете Матвеев подвергся нападению неизвестных лиц, жестоко его избивших, и был доставлен в долговую тюрьму под предлогом неуплаты незначительного долга английским купцам. Случившееся возмутило весь дипломатический корпус. Уже на следующий день русского посла освободили, но, не получив желаемого удовлетворения, он покинул страну, не вручив отзывных грамот и не взяв обычного королевского подарка. С большим трудом английскому правительству удалось уладить этот инцидент, а парламент при участии аккредитованных в Лондоне представителей иностранных держав принял особый закон об охране привилегий лиц дипломатического персонала, который лег в основу современного посольского права.
Тем временем 8 июля 1709 г. под украинским городом Полтавой армия Карла XII была разгромлена Петром I. В русский плен попало около 19 тыс. шведских солдат, в том числе почти все генералы. Карл вместе с перешедшим на его сторону украинским гетманом И. С. Мазепой (в 1654 г. произошло присоединение Левобережной Украины к России), бежали на территорию Турции. Полтавская победа перевернула всю политическую обстановку в Европе. Международный авторитет России поднялся на небывалую высоту. Державы-участники «Великого союза» и Франция стремились теперь привлечь Россию на свою сторону. Ход Северной войны был в корне изменен, Северный союз – восстановлен. Из рядового участника союза, каким Россия была вначале войны, она превратилась в его руководящую силу. Антишведская коалиция расширилась – теперь многие хотели урвать свою долю в наследии рушившейся шведской державы, использовав военные успехи русских. Северная война приобрела общеевропейское значение.
26 июля 1709 г. в Кельне Саксония, Дания и Пруссия заключили антишведское соглашение. Спустя две недели в Дрездене союз между Саксонией и Россией был возобновлен, а в октябре – между Данией и Россией. В том же месяце Петр I прибыл в Торунь, где встретился с Августом II. Результатом переговоров стало подписание двух соглашений, уточняющих и расширяющих достигнутые в Дрездене договоренности. Было решено, в частности, что территориальные приобретения Августа будут ограничены одной Лифляндией, а к России перейдет, кроме Ингерманляндии, Эстляндия. 21 октября 1709 г., на следующий день после заключения Торуньских союзных договоров, Россия присоединилась к Кельнскому соглашению. В 1714 г. был заключен союзный договор между Россией и Пруссией, по которому прусский король Фридрих Вильгельм I получил гарантию на передачу ему порта Штеттина в Померании, а в ответ обязался признать все прибалтийские завоевания Петра I (в конце 1690-х гг. бранденбургский курфюрст вел переговоры с будущими членами Северного союза, но предпочел участвовать в готовящейся войне за испанское наследство, за что и получил титул прусского короля). В следующем году союзный договор с Россией подписал Ганновер. Петр придавал союзу с Ганновером особое значение: ганноверский курфюрст в 1714 г. стал также королем Англии, под именем Георга I, родоначальником ганноверской династии на английском престоле. Русский царь брал на себя обязательство содействовать при заключении мира с Швецией разделу ее владений в Германии между Ганновером (курфюршеству были обещаны герцогства Бремен и Верден), Пруссией и Данией. В 1716 г. на союз с Россией пошел и герцог Мекленбургский, предоставивший свою территорию для размещения русских войск в обмен на обещание о включении в состав Мекленбурга лучшего порта на Балтийском море Висмара. Еще в 1710 г. русские войска вытеснили шведов из Польши, Лещинскому пришлось покинуть страну, корона вновь перешла к Августу П. Россия овладела почти всей Восточной Прибалтикой, а в 1712 г. ее армия вступила в Померанию. Союзные силы русских, датчан, саксонцев и пруссаков полностью изгнали шведов из Германии, последним пал Висмар (1716). Русские войска вели успешные военные операции в Финляндии. 27 июля 1714 г. у полуострова Гангут молодой Балтийский флот России одержал первую крупную победу над шведской флотилией и скоро занял господствующее положение в балтийских водах.
Столь значительные военные и дипломатические успехи России усиливали тревогу в Англии, выступавшей главной движущей силой антирусской политики. В выходивших там политических памфлетах резко критиковалась политика правительства, которое не выполняло своих союзнических обязательств в отношении Швеции. До сведения Петра I было доведено, что Англия не допустит разорения Швеции и нарушения равновесия сил между северными странами. Английская дипломатия, усиленно распространяя слухи о широких завоевательных планах русского царя в Европе, разжигала подозрения к России со стороны ее союзников. Копенгаген потребовал вывода русских войск из Дании. Август II, дважды получивший престол Речи Посполитой благодаря помощи России, перешел в лагерь ее противников. Ганновер вместе с Англией и Австрией настаивал на очищении Мекленбурга от русских войск.
В конце 1715 г. шведский король Карл XII вернулся на родину и приступил к созданию новой армии и мобилизации ресурсов для продолжения войны. Организовав оборону Швеции от угрожавшей ей высадки войск Северного союза, он сконцентрировал свои усилия на захвате принадлежавшей Дании Норвегии. С целью предпринять еще одну попытку заручиться посредничеством держав для заключения мира со Швецией Петр I выехал за границу. В июле 1717 г. в Амстердаме между Россией, Францией и Пруссией был заключен оборонительный союз. Французское правительство отказывалось от пролонгации истекавшего в следующем году франко-шведского союзного договора и обязалось прекратить финансовую помощь шведам. Русский царь и прусский король принимали посредничество Франции в заключении мира. Хотя Амстердамский договор остался только на бумаге, он лишил Швецию поддержки со стороны Франции, и это оказало влияние на решение Карла XII начать переговоры о мире с Россией, чтобы с ее помощью попытаться приобрести эквивалент потерянным владениям за счет Дании и Ганновера. С мая 1718 по октябрь 1719 г. на о. Суншере Аландского архипелага в Балтийском море шли переговоры между русскими и шведскими уполномоченными, так называемый Аландский конгресс. Согласно проекту царского правительства к России присоединялись все захваченные ею земли, за исключением Финляндии; Россия соглашалась на признание королем Речи Посполитой ставленника Швеции и Франции Лещинского и брала обязательство предоставить Карлу XII 20 тыс. человек для войны с Ганновером за возвращение Бремена и Вердена; Швеция получала право вознаградить себя также за счет датских владений в Норвегии. При этом Петр I отвечал решительным отказом на требования Карла о совместных военных действиях как против оставшейся союзником России Дании, так и предавшего ее Ганновера. Переговоры были близки к успешному завершению, когда в декабре 1718 г. пришла весть о гибели Карла при осаде норвежской крепости. В Стокгольме взяли верх возглавляемые сестрой Карла королевой Ульрикой Элеонорой проанглийски настроенные сторонники продолжения войны. В Лондоне всячески стремились затянуть войну для России, тем самым ослабив ее и лишив плодов победы. Новое шведское правительство не хотело идти на уступки, и Аландский конгресс был сорван.
Под давлением Англии союзники России вышли из войны, получив почти все, что они хотели. В конце 1719 г. сепаратный мир с Швецией подписал Ганновер, в следующем году его примеру последовали Пруссия и Дания. Английский король Георг I купил за 1 млн талеров Бремен и Верден, присоединив их к своим владениям в Германии. Прусский король Фридрих Вильгельм I выложил 2 млн талеров за часть Западной Померании с устьем Одера, островами Узедомом и Волином и портом Штеттином. Датский король Фредерик IV получил владения герцогов Гольштейн-Готторпских в Шлезвиге (последний целиком стал датским), и Дания вернула себе право взимать зундскую пошлину со шведских торговых кораблей. В начале 1720 г. Англия заключила новый союз с Швецией, направленный против России. Английская эскадра трижды – в 1719, 1720 и 1721 гг. – приходила в Балтийское море, но так и не решилась открыто выступить на стороне Швеции. В Лондоне в эти годы вынашивали план совместного выступления западноевропейских государств и Турции против России, но он потерпел неудачу. Между тем русские войска и флот совершали опустошительные экспедиции в Швецию. 7 августа 1720 г. шведская эскадра была разгромлена в сражении вблизи о. Гренгам. В качестве дополнительного средства давления на Швецию Петр I искусно использовал претензии на ее престол герцога Гольштинии Карла Фридриха, являвшегося племянником Карла XII. Поскольку у погибшего шведского короля не было ни детей, ни братьев, его наследники – сестра (Ульрика Элеонора) и зять (Фридрих Гессен-Кассельский, в пользу которого его жена Ульрика отказалась в 1720 г. от короны) – не имели бесспорных прав на престол. По приглашению царя, в начале 1721 г. Карл Фридрих Гольштинский прибыл в Санкт-Петербург, новую столицу России, построенную на отвоеванном у шведов побережье Финского залива в устье Невы. Здесь он был помолвлен со старшей дочерью Петра и Екатерины Анной, и ему оказывалось подчеркнутое внимание, что дало Стокгольму лишний повод для тревоги.