К 25 июня (6 июля) русская армия (42 тыс. чел., 72 орудия) расположилась в созданном ею укрепленном лагере в 5 км севернее Полтавы.
26 июня (7 июля) была создана передовая позиция из 10 редутов, занятая 2 батальонами, за которыми расположилось 17 кавалерийских полков под командованием А. Д. Меншикова. Карл XII решил атаковать русские войска, рассчитывая одержать победу и этим побудить Турцию выступить против России. Для атаки было выделено около 20 тыс. чел. и 4 орудия (28 орудий остались в обозе без боеприпасов). Остальные войска (до 10 тыс. чел.), в том числе часть запорожцев и украинских казаков, обманутых изменником гетманом И. С. Мазепой, находились под Полтавой, в резерве и на охране коммуникаций. Карл XII, раненный на рекогносцировке 17 (28) июня, передал командование фельдмаршалу К. Г. Реншильду.
В 2 часа ночи 27 июня (8 июля) шведская пехота 4 колоннами двинулась на русские редуты, за ней следовало 6 колонн конницы. После упорного двухчасового боя шведам удалось овладеть лишь 2 передовыми редутами и они начали перегруппировку влево для обхода поперечной линии редутов с С. При этом 6 правофланговых шведских батальонов и несколько эскадронов генерала Росса и Шлиппенбаха оторвались от главных сил и отошли в лес севернее Полтавы, где были разгромлены двинувшейся за ними конницей Меншикова и сдались. Остальная часть русской конницы под командованием генерала Р. Х. Боура по приказу Петра I стала отходить к лагерю. Шведы прорвались между редутами, но попали под артиллерийский и ружейный фланговый огонь из лагеря и в беспорядке отошли в Будищенский лес. Около 6 часов Петр I вывел армию из лагеря и построил её в две линии, имея в центре пехоту Б. П. Шереметева и на флангах конницу Меншикова и Боура. В лагере был оставлен резерв (9 батальонов). Главные силы шведов выстроились напротив русских войск. В 9 часов завязался рукопашный бой, а русская конница начала охватывать фланги противника. Шведы начали отступление, превратившееся к 11 часам в беспорядочное бегство. Русская конница преследовала их до Переволочны, где остатки шведской армии сдались в плен.