Sau bảy năm làm phụ chính bên cạnh vua em Ivan cũng yếu ớt như Fyodor, Sofia toan tính chuyện trừ diệt Pyotr và phế bỏ Ivan để chính thức làm nữ hoàng. Bấy giờ, Sophia đã bị mất uy tín sau thất bại trong hai cuộc chiến tranh vùng Krym. Nhờ sự ủng hộ của đông đảo quý tộc lúc đó, Pyotr I biết được ý định của Sofia. Ông còn được sự hỗ trợ đắc lực của 2 quân đoàn cấm vệ và các sĩ quan trong vệ đội hoàng gia, vì thế Pyotr không khó khăn bẻ gãy được ý định binh biến của Sofia.

Cuộc khủng hoảng bùng nổ vào ngày 17 tháng 8 năm 1689 giữa hai phe của Sofia và Pyotr Đại đế. Kết quả là Sofia bị lật đổ, bị tước bỏ hoàn toàn quyền hành rồi sau này bị đưa vào nữ tu viện Novodevichy. Từ đó, dù trên danh nghĩa, Ivan và Pyotr tiếp tục trị vì bên nhau nhưng trên thực tế quyền hành hoàn toàn do Pyotr nắm.

Trong 5 năm tiếp theo, Pyotr quay trở về Preobrazhenskoe và hồ Pleschev, vẫn sống theo lối sống thiếu niên thiếu quy củ, thiếu trách nhiệm, hoàn toàn dửng dưng với chính sự. Trước thời gian này, triều đình được điều hành bởi một nhóm nhỏ đã từng ủng hộ và dìu dắt ông trong cuộc đối đầu với Sofia và Thái hậu Nataliya Naryshkina. Năm 1694, khi Nataliya qua đời, Pyotr I trở thành một ông vua độc lập,[8] dù ông vẫn đồng trị vì với ông vua bất lực Ivan V.

Trong hai năm 1693 và 1694, Pyotr I đi đến Arkhangelsk để quan sát những hoạt động của một bến cảng, cách tập lái tàu biển, đặt mua chiếc tàu đầu tiên và đóng thêm tàu cho Hải quân Nga. Nhận thấy tầm quan trọng của nền hàng hải, ông càng quyết tâm học hỏi điều hay từ Tây Âu và chú tâm đến việc xây dựng cảng biển.

Ngày 8 tháng 3 năm 1696, Nga hoàng Ivan V thình lình qua đời, khi mới 29 tuổi. Từ đó, Pyotr Đại đế là vị Nga hoàng duy nhất, là nhà cầm quyền tối cao độc nhất của đất nước Nga.