Đã gần 9 giờ sáng, và Rehnskiöld phải đi đến quyết định. Đại quân không thể cứ đứng yên mãi ở đây, mà phải hành động. Ông ra lệnh rút lui. Lực lượng của ông quá yếu và rủi ro quá cao. Ông định kéo quân trở lại các tiền đồn Nga, tăng viện cho Roos để vượt qua các tiền đồn, rồi khi trở về điểm xuất phát hồi rạng sáng, ông sẽ triệu tập các tiểu đoàn đang canh gác xe goòng hậu cần và đang tuần tiễu dọc bờ sông phía dưới thị trấn. Lúc đó, với đại quân 24 tiểu đoàn thay vì 12 như bây giờ, ông có thể quyết định sẽ đánh Sa hoàng ở đâu.

Nhưng khi binh sĩ của Rehnskiöld đang chuẩn bị giải tán đội hình chiến đấu mà sắp xếp hàng ngũ để di chuyển, một chuyện đáng kinh ngạc xảy ra: cả đoàn quân Nga dường như chuyển động. Các cổng đều mở toang, các cây cầu được hạ xuống, và bộ binh Nga tiến ra rồi lập đội hình để chiến đấu trước mặt doanh trại. Lần đầu tiên trong cuộc chiến, đại quân Nga đang chuẩn bị giao chiến với đại quân Thụy Điển với sự hiện diện của cả Sa hoàng và vua Thụy Điển.

Bên cánh phải quân Nga là Bauer chỉ huy 18 trung đoàn kỵ binh. Ở đầu cánh cung đối diện là Menshikov chỉ huy 6 trung đoàn kỵ binh. Ở giữa là các tiểu đoàn bộ binh dưới quyền của Sheremetev và Vương công Anikita Ivanovich Repnin. Tướng Bruce, tư lệnh pháo binh, đã bố trí một số khẩu pháo trên bức tường thành đất nện để bắn qua đầu quân Nga, một số khác ở phía trước bộ binh để chặn đón quân Thụy Điển bằng những loạt đạn bắn thẳng.

Vị trí mới của quân Nga khiến cho Rehnskiöld bị thêm vấn đề tiến thoái lưỡng nan. Nếu ông cho họ di chuyển và nếu Nga hoàng Pyotr I tấn công, đây sẽ là cuộc tàn sát. Rehnskiöld nhanh chóng ngưng cuộc rút lui, một lần nữa ra lệnh bộ binh sắp xếp lại hàng ngũ để chuẩn bị giao tranh với quân Nga.

Lúc 10 giờ sáng, quân Thụy Điển đã dàn lại thành đội hình chiến đấu. Kỵ binh Thụy Điển được đặt ở phía sau bộ binh, không phải ở hai cánh như kỵ binh của Pyotr. Bộ binh của Lewenhaupt giờ chỉ có 12 tiểu đoàn, chưa đến 5.000 quân. Đối diện ông là hai hàng bộ binh Nga tổng cộng có 24.000 quân với 70 khẩu pháo. Hy vọng duy nhất của Lewenhaupt là xuyên thủng phòng tuyến địch ở một điểm, tạo tình thế hoang mang rồi dồn lực lượng đông hơn dạt qua hai bên.

Lúc này, mâu thuẫn giữa hai vị tư lệnh chính của Thụy Điển đến hồi chấm dứt. Rehnskiöld phi ngựa đến Lewenhaupt, người sẽ chỉ huy đợt tiến công gần như vô vọng. Cầm lấy tay vị tướng bộ binh, vị Thống chế nói: "Bá tước Lewenhaupt, ông phải xuất quân tấn công kẻ địch. Xin ông hãy đảm nhận danh dự phục vụ cho Chúa thượng." Lewenhaupt ra hiệu cho quân tiến công. Lực lượng nhỏ bé một cách thảm thương: 12 tiểu đoàn tiến thành một hàng mỏng, cố gắng dàn rộng đội hình nên tạo ra nhiều khoảng trống.

Khi bộ binh Thụy Điển tiến đến, pháo Nga gia tăng cường độ, rót đạn xuống đội hình Thụy Điển, nhưng quân Thụy Điển vẫn tiến bước mà không bắn trả phát nào. Do lực lượng Vệ binh dẫn đầu, các tiểu đoàn cánh phải tiến đến tấn công hàng bộ binh đầu tiên của Nga bằng gươm và lưỡi lê. Họ đánh quân Nga trước mặt dạt ra, bắt được các khẩu pháo đã bắn vào họ khi họ tiến đến. Trong vòng ít phút, các khẩu pháo này quay nòng về phía quân Nga giờ bắt đầu thối lui.

Lúc này, sau khi đã đạt được mục tiêu đầu tiên và chọc thủng được một phần phòng tuyến của địch, Lewenhaupt nhìn quanh tìm kỵ binh đáng lẽ phải tiến nhanh để yểm trợ cho quân ông. Nhưng không thấy kỵ binh Thụy Điển nào cả. Thay vào đó, Lewenhaupt thấy các tiểu đoàn cánh trái đang bị khó khăn nghiêm trọng vì bị đại pháo của Nga hạ nòng bắn thẳng vào họ. Hỏa lực pháo hùng hậu đến nỗi hàng ngũ Thụy Điển bị bắn tan nát; trên phân nửa bị đốn ngã trước khi tiếp cận được bộ binh Nga. Giữa cánh trái đang khốn đốn và cánh phải đang dồn lên để là một khoảng hở. Và khi cánh phải Thụy Điển càng tiến lên, khoảng hở càng rộng ra.

Pyotr cũng nhìn thấy những gì đang xảy ra, và phái một đội kỵ binh hùng hậu đánh vào khoảng trống này.

Chiến trận xảy ra đúng như Pyotr đã hy vọng và Lewenhaupt đã e sợ. Không còn bị kỵ binh Thụy Điển ngăn trở, kỵ binh Nga đánh phủ lên bộ binh Thụy Điển ở cánh phải. Đà tiến công nhanh nhẹn của Thụy Điển thực ra giúp cho chiến thuật của Pyotr được thành công hơn: họ càng tiến sâu thì càng bị vây chặt hơn trong biển người của Nga.

Kỵ binh Thụy Điển cuối cùng đã đến, nhưng không phải toàn bộ lực lượng của Rehnskiöld. Chỉ có 50 kỵ binh xuất trận vào giữa hàng ngũ bộ binh Nga, chẳng bao lâu đều bị trúng đạn, bị giáo đâm, hoặc bị kéo xuống khỏi yên ngựa. Bị tràn ngập và áp đảo, quân Thụy Điển cố rút lui, ban đầu với tính kỷ luật kiên cường, nhưng rồi khi hốt hoảng tràn lan, họ trở nên rối loạn. Sau khi hầu hết sĩ quan của ông bị thương vong, Lewenhaupt chạy tới lui giữa hàng quân đã rệu rã, cố kêu gọi binh sĩ trụ lại mà chiến đấu, nhưng chỉ hoài công.

Trong suốt giai đoạn này của trận đánh, vóc người của Pyotr vươn cao hẳn giữa hàng quân của ông. Dù khổ người cao của ông tạo ra đích nhắm rõ ràng, ông không để ý gì đến hiểm nguy và luôn ra sức kêu gọi và động viên quân của ông. Việc ông không bị thương là điều đáng lấy làm ngạc nhiên, vì ông bị bắn ba lần trong trận đánh. Một viên đạn súng nòng dài bắn rơi chiếc mũ của ông, một viên đạn khác ghim vào yên ngựa, và viên thứ ba bắn trúng ngực ông nhưng chạm vào và dội ra từ một biểu tượng cổ bằng bạc mà ông mang trên sợi dây chuyền vòng quanh cổ.

Cuộc tấn công của Thụy Điển đã tiêu tán, tuy vài đơn vị rời rạc còn tiếp tục giao chiến. Lực lượng Vệ binh Thụy Điển vẫn kiên cường như bao giờ, rồi ngã xuống nơi họ chiến đấu. Từng đại đội Thụy Điển bị bao vây rồi cùng ngã xuống khi quân Nga đổ xô đến, dùng giáo, gươm và lưỡi lê đâm chém và để họ nằm thành từng đống.

Kỵ binh Thụy Điển ở đâu? Một lần nữa, có lẽ vì họ không còn ở dưới sự điều động trực tiếp của vị tư lệnh cũ, Rehnskiöld, giờ đang cố gắng chỉ huy toàn quân. Bên cánh phải, kỵ binh bị chậm trễ khi huy động và bộ binh của Lewenhaupt đã tiến công mà kỵ binh chưa sẵn sàng để tiến theo. Khi kỵ binh có thể tiến công thì họ bị trở ngại do địa hình khó khăn. Bên cánh trái, kỵ binh Thụy Điển được phái ngăn chặn kỵ binh Nga đang quy tụ ở phía bắc. Khi vài trung đoàn kỵ binh phi đến cứu nguy cho bộ binh, họ thấy rằng thay vì cứu quân bạn, họ cần phải tự cứu mình trước: chính họ cũng bị pháo Nga bắn tan tác.

Và cuộc giao tranh tiếp diễn thêm nửa giờ đồng hồ như thế – vinh quang cho Nga hoàng Pyotr, thảm họa cho Quốc vương Karl XII. Phần lớn bộ binh Thụy Điển xông vào đội hình của Nga đều bị hạ gục. Rehnskiöld nhìn thấy tất cả những gì đang xảy ra, thét lên với Bá tước Carl Piper: "Mất hết cả rồi!" Rồi ông xông vào giữa trận tuyến, và chẳng bao lâu bị bắt làm tù binh.

Chính vua Karl XII cũng ở giữa trận chiến. Nhà vua cố gắng lớn tiếng hô hào động viên binh sĩ đang bấn loạn, nhưng không ai để ý nghe ông. Trong số 24 người được cắt cử khiêng cáng cho nhà vua, 21 người bị đốn ngã, riêng chiếc cáng bị rách xác xơ. Trong một khoảnh khắc, không có người khiêng cáng, có vẻ như nhà vua sẽ bị bắt. Thế rồi, một sĩ quan xuống ngựa và nâng Karl XII ngồi lên yên. Bông băng trên vết thương ông bị sút, máu rỉ ra. Con ngựa ông đang cưỡi bị bắn, và ông được đưa lên một con ngựa khác. Nhà vua bám lấy cổ ngựa, phi trở lại hàng quân Thụy Điển với vết thương chảy máu ròng ròng. Ông hỏi Lewenhaupt: "Bây giờ chúng ta phải làm gì?" Vị tướng trả lời: "Không còn làm được gì ngoại trừ thu thập tàn quân lại." Dưới sự che chở của kỵ binh lúc này vẫn còn khá nguyên vẹn, ông điều động những bộ binh rút về phía nam qua các tiền đồn Nga đến doanh trại ở Pushkarivka lúc đó tạm thời vẫn còn an toàn. Khi đoàn quân rút lui, các trung đoàn dự bị, pháo binh cũng như quân Cozak được bố trí phòng ngự chung quanh doanh trại để chống lại sự truy kích của quân Nga. Vào lúc giữa trưa, phần lớn tàn quân đã về đến và có thể nghỉ ngơi.

Về hướng bắc, chiến địa đã trở nên yên ắng. sa hoàng Pyotr sướng thỏa cử hành lễ tạ ơn trên bãi chiến trường. Trận Poltava đã kết thúc.

Bắt đầu trận đánh với 19.000 người, quân Thụy Điển bị tổn thất 10.000, gồm 6.901 tử trận và bị thương, 2.760 bị bắt làm tù binh. Trong số sĩ quan, 300 tử trận và 260 bị bắt; số bị bắt gồm cả viên Thống chế Rehnskiöld, một Vương công Max xứ Württemberg, bốn trung tướng và năm đại tá. Bá tước Piper đi bên nhà vua suốt ngày, cuối cùng bị lẫn lộn trong đám người hỗn loạn, lang thang trên bãi chiến trường cùng với hai thư ký và cuối cùng đi đến cổng thành Poltava để đầu hàng.

Tổn thất bên Nga tương đối nhẹ – không phải là điều đáng ngạc nhiên vì phần lớn họ chiến đấu từ vị trí phòng ngự trong khi pháo của họ gầm rú trên đầu địch quân. Trong tổng số 42.000 quân, 1.345 chết và 3.290 bị thương. Số thương vong và kết quả đều đảo ngược tất cả các trận đánh trước đó giữa Pyotr và Karl XII.