Sau kỳ nghỉ đông, vào đầu tháng 4 năm 1709, Quốc vương Karl XII đang đàm phán với vua Thổ Nhĩ Kỳ và Hãn vương Tatar, cùng lúc đang chờ viện binh của Thụy Điển và Ba Lan đến để cùng hợp lực tiến công vào Nga. Trong khi chờ đợi, Karl XII chuyển quân xuống hướng nam, đến vị trí dự kiến viện binh từ Ba Lan và Thổ sẽ tiến đến.

Poltava là một thị trấn nhỏ nhưng quan trọng về thương mại, cách Kiev 360 kílômét về hướng đông-nam. Một bên thị trấn là hai đỉnh của dốc đứng nhìn xuống một khu đầm lầy rộng của sông Vorskla, một nhánh quan trọng của sông Dnepr. Quốc vương Karl XII quyết định công hãm Poltava dưới quyền chỉ huy phòng ngự của Đại tá Kelin để kiểm soát địa điểm chiến lược này. Ngày 1 tháng 5 năm 1709, việc công hãm bắt đầu rồi kéo dài 6 tuần.

Một đồng xu của Liên bang Nga, kỷ niệm chiến thắng vang dội tại Poltava.

Trong lúc ấy, dọc con sông theo bờ đông của sông Vorskla, các lực lượng của Nga cũng đang tập trung đến. bộ binh dưới quyền Nguyên soái Boris Petrovich Sheremetev, kỵ binh dưới quyền Vương công Aleksandr Danilovich Menshikov, và pháo binh do Tướng Bauer chỉ huy.

Các đội kỵ binh của Nga và Thụy Điển chạy dọc theo hai bờ đối diện của con sông, chạm trán với nhau hàng ngày. Tuy có quân số áp đảo, các tướng lĩnh Nga không biết phải làm gì. Họ được Kelin báo rằng ông chỉ có thể cầm cự đến cuối tháng 6. Menshikov và Sheremetev không muốn để mất thị trấn, nhưng không được chuẩn bị để giao chiến toàn diện. Menshikov báo tin cho Sa hoàng Pyotr I lúc đó đang trên đường từ Azov đến.

Ngày 4 tháng 6, Pyotr đến. Thói quen của ông là bổ nhiệm một trong những tướng lĩnh làm Tư lệnh chiến trường và chỉ nhận nhiệm vụ phó tướng, nhưng lần này ông đảm nhiệm chức vụ Tư lệnh Tối cao. Pyotr mang đến 8.000 quân mới được tuyển mộ để bổ sung vào hàng quân bây giờ chuẩn bị đánh lớn. Sự hiện diện của ông cũng nâng tinh thần cho binh sĩ. Pyotr thấy sách lược của ông đã thành tựu: kẻ thủ đã bị cô lập, vị mọi ngả đường dẫn đến Poltava đã có quân Nga đóng chốt.

Pyotr và các tướng lĩnh thấy việc Poltava thất thủ chỉ còn là vấn đề thời gian. Nếu rơi vào tay Thụy Điển, thị trấn này có thể là trung tâm điểm thu hút các lực lượng mà Karl XII mong đợi – và Pyotr kiêng dè – để tiếp tay cho vua Thụy Điển và có thể mở đường cho ông dẫn quân tiến đến Moskva. Pyotr và các tướng lĩnh đi đến quyết định lịch sử: để giảm áp lực ở Poltava và ngăn chặn sự thất thủ của thị trấn này, đại quân Nga sẽ được tung vào. Nhưng quân Nga cần phải qua bên bờ tây để tham chiến. Vào đêm 14 tháng 6, đội quân đầu tiên tổ chức vượt sông bị đánh lui. Nhưng Pyotr đã quyết tâm. Đại tá Kelin ở Poltava báo cáo rằng ông khó cầm cự được lâu thêm, và Pyotr quyết định phải hành động ngay.

Một đồng tiền của Liên bang Nga, kỷ niệm chiến thắng hiển hách tại Poltava (1709).

Bên Thụy Điển biết rõ về việc vượt sông ở Petrovka. Trong các đêm 15 - 16 tháng 6, quân Thụy Điển được lệnh túc trực ứng chiến, dự định đợi khi một phần quân Nga đã sang sông thì dùng quân số áp đảo đánh lùi xuống sông. Nhưng trước khi kế hoạch tác chiến của Thụy Điển được triển khai, tai họa giáng xuống.

Ngày 17 tháng 6 năm 1709 là sinh nhật thứ 27 của vua Karl XII. Sáng hôm ấy, nhà vua cưỡi ngựa đến phía nam Poltava để thị sát chiến trường thì bị một viên đạn nòng dài của Nga bắn trúng. Tin tức về việc Karl XII bị thương lan nhanh khắp các doanh trại của Thụy Điển, một cú sốc cho toàn quân. Vết thương tiếp tục nung mủ, vua Karl XII lên cơn sốt cao, và tình trạng viêm lan thêm. Khi nghe tin Karl XII bị thương, Thống chế Carl Gustaf Rehnskiöld tham khảo ý kiến các sĩ quan dưới quyền và quyết định không tấn công phía bắc như phương án đã định.

Vào buổi chiều 17, Pyotr được tin Karl XII bị thương. Ông lập tức truyền lệnh vượt sông. Ngày 19 tháng 6, kỵ binh Nga vượt qua sông Vorskla mà không bị quấy nhiễu, và nhanh chóng lập phòng tuyến ở Semenovka. Trong các ngày 19-21 tháng 6 – trong khi Karl XII đang nằm như chết – toàn bộ quân Nga di chuyển từ đông sang bờ tây, rồi xây phòng tuyến.

Ngày 22 tháng 6, quân Thụy Điển chỉnh đốn lại tinh thần. Karl XII vẫn còn bị bệnh nặng, nhưng đã bớt sốt và tính mạng không còn bị đe dọa. Vào thời gian này, Karl XII nhận được tin cho biết viện binh Ba Lan và Thụy Điển sẽ không đến, còn bộ tộc Tatar bị Thổ Nhĩ Kỳ cấm hợp tác với Thụy Điển nên cũng không thể hội quân.

Cùng lúc, tình trạng quân Thụy Điển đang trở nên ngày một tồi tệ thêm. Đoàn quân đang bị tiêu hao dần trong các cuộc đụng độ lẻ tẻ hàng ngày mà không có người bổ sung. Thực phẩm cạn dần vì vùng chung quanh đã bị vét sạch; thuốc súng bị ẩm ướt; không có đủ đạn cho súng nòng dài. Cả đoàn quân lừ đừ và uể oải vì sức nóng mùa hè. Karl XII muốn dốc tất cả sức mạnh còn lại để tung vào trận chiến để tháo gỡ thế bế tắc. Ông dự định đánh một cú bất ngờ.

Pyotr muốn lợi dụng quân số áp đảo để buộc Thụy Điển phải tấn công một phòng tuyến vững chắc của Nga, nên ông chuẩn bị cho tình huống như thế. Đêm 26 tháng 6, quân Nga từ trại Semenovka di chuyển về hướng nam và lập một doanh trại mới chỉ cách thành Poltava 6 kílômét về phía bắc. Ở đây, binh sĩ Nga làm việc cật lực ngày đêm, lập nên một tường thành bằng đất nện hình vuông.

Pyotr có thêm một số biện pháp phòng vệ. Mũi tiến công của Thụy Điển sẽ phải xuất phát theo con đường từ Poltava đi lên. Cách doanh trại gần 2 km về phía nam, khu đất bằng phẳng thu hẹp lại và con đường đi qua giữa rừng và vực núi phía đông và đầm lầy phía tây. Ngang khoảng giữa này, Pyotr cho đắp 6 tiền đồn nhỏ bằng đất nện, mỗi tiền đồn có 700 quân trú phòng cùng với 2 đại bác. Phía sau 6 tiền đồn này, Pyotr bố trí 7 trung đoàn kỵ binh với 13 khẩu pháo ngựa kéo, do Menshikov, tướng kỵ binh Carl Evald Ronne người Đức và Bauer chỉ huy. Toàn lực lượng trú phòng trong tiền đồn và kỵ binh này sẽ báo động và tạo phòng tuyến thứ nhất đế tiếp chiến bất kỹ mũi tiến công nào của Thụy Điển hướng ra khu đất bằng phẳng.

Ngày 26 tháng 6, Pyotr tuyên cáo với toàn quân:

“	Hỡi binh sĩ: giờ khắc đã điểm khi số phận của tổ quốc ta nằm trong tay các người. Nước Nga hoặc sẽ tiêu tán hoặc sẽ hồi sinh trong huy hoàng hơn. Binh sĩ không nên nghĩ mình chiến đấu cho Pyotr, mà cho chế độ của Sa hoàng được nhân dân giao phó cho Pyotr… Phải biết rằng ông ấy không quý trọng sự sống của mình, nhưng nên hiểu rằng nước Nga phải trường tồn trong tình hiếu thảo, thanh danh và phồn thịnh.	”
— Sa hoàng Pyotr I

Chiều ngày Chủ nhật 27 tháng 6 năm 1709, Karl XII triệu các tướng lĩnh và đại tá đến để truyền lệnh về kế hoạch cho trận đánh ngày hôm sau. Ông tuyên bố rằng Pyotr có quân số đông hơn, nhưng có thể khắc phục điểm này nếu áp dụng chiến thuật táo bạo. Có khả năng đánh bại quân Nga và còn có thể tóm được một chiến lợi phẩm vĩ đại: Pyotr I.

Thụy Điển bây giờ chỉ còn 25.000 quân, hơn phân nửa quân số so với lúc tiến vào đất Nga hai năm trước. Nhiều binh sĩ đã giảm sức chiến đấu do chiến thương và hoại tử mùa đông vừa qua. Bá tước Đại tướng Adam Ludwig Lewenhaupt, người sẽ chỉ huy bộ binh, muốn tung toàn bộ lực lượng vào trận chiến, nhưng Karl XII bác bỏ. Cần phải duy trì 2.000 quân công hãm Poltava để ngăn chặn quân phòng ngự xông ra trợ chiến bên Nga. Còn phải cắt cử 2.500 kỵ binh để bảo vệ hàng hậu cần. Thêm một lực lượng gồm 1.500 quân được phân tán rải rác dọc theo sông Vorskla phía dưới thị trấn để tuần tiễu đề phòng quân Nga vượt sông ở vùng này. Đội quân Cozak gồm 6.000 người không được phân nhiệm vụ tác chiến, vì nhà vua thấy rằng tính vô kỷ luật của họ sẽ chỉ làm rối loạn hàng ngũ của binh sĩ Thụy Điển đã được huấn luyện thành thục. Tổng cộng, lực lượng Thụy Điển tung ra để tấn công 42.000 quân Nga chỉ có 19.000 người.

Khi vua Karl XII trở thành một thương binh, chức vụ tư lệnh mặt trận đương nhiên được giao cho Thống chế Rehnskiöld, có địa vị cao nhất dưới Karl XII. Rehnskiöld là con người nóng tính, bị than phiền là cao ngạo và thô lỗ. Đặc biệt, Rehnskiöld không ưa thích Lewenhaupt nên không màng nói cho Lewenhaupt biết cần phải làm gì.

Đồng tiền kỷ niệm chiến thắng lừng lẫy của vua Pyotr I Đại Đế tại Poltava.

Phương án tác chiến mà vua Karl XII và Thống chế Rehnskiöld vạch ra là mở cuộc tấn công thần tốc trước bình minh khiến cho quân Nga bị bất ngờ, rồi đi nhanh qua các tiền đồn, phó mặc hỏa lực của quân phòng ngự. Sau đó, quân Thụy Điển sẽ rẽ sang trái và tiến đến khu đất bằng phẳng phía trước doanh trại của đại quân Nga. Bộ binh sẽ đi dọc bờ tây của đồng bằng đến vị trí tây bắc của quân Nga, trong khi kỵ binh Thụy Điển sẽ quét sạch kỵ binh của Pyotr. Khi đã đi đến vị trí giữa quân Nga và vùng nước cạn ở Petrovka, cả quân Thụy Điển sẽ di chuyển về bên phải và lập đội hình cho trận đánh lớn. Nếu kế hoạch này thành công, quân Nga sẽ bị ép lưng vào bờ sông dốc đứng và quân Thụy Điển trong tư thế sẵn sàng chiến đấu sẽ chặn đường rút lui ở Petrovka. Nếu quân Nga không muốn giáp chiến, họ cứ việc cố thủ mà chết đói.

Trong số 30 khẩu pháo còn sử dụng được, phần lớn sẽ được để lại. Đây một phần là do quyết định của Rehnskiöld. Ông có tâm lý thường thấy ở kỵ binh là không thích sử dụng pháo, và tin rằng kéo pháo qua các tiền đồn chỉ làm chậm bước tiến nhanh mà ông đòi hỏi. Hơn nữa, sẽ không có thời giờ để đặt vị trí pháo mà khai hỏa; và cũng vì phần lớn thuốc súng đã bị hư hỏng do thời tiết ẩm ướt trong mùa đông vừa qua. Do vậy, quân Thụy Điển chỉ mang theo 4 khẩu pháo.

Lúc nửa đêm, binh sĩ Thụy Điển thành lập đội hình. Cũng trong đêm này, quân Nga đang cật lực đào đất để xây một dãy bốn tiền đồn mới nằm thẳng góc với 6 tiền đồn trước. Các tiền đồn mới này hướng thẳng theo con đường đi xuống Poltava về phía doanh trại Thụy Điển, và sẽ phân mũi tấn công của Thụy Điển ra làm hai nhánh hai bên dãy tiền đồn, hướng hỏa lực vào bên sườn quân Thụy Điển đi ngang qua họ.

Yếu tố bất ngờ cho Thụy Điển đã mất. Thời gian còn lại rất ít. Rehnskiöld muốn chớp thời cơ mà ra lệnh tấn công như đã dự trù; nếu không sẽ phải bãi bỏ cả phương án tác chiến. Karl XII đồng ý, và mệnh lệnh được ban hành nhanh chóng để chỉnh sửa phương án tác chiến ban đầu. Các tiểu đoàn bộ binh giờ được chia ra năm cánh quân, trong đó bốn cánh quân tiến nhanh qua các tiền đồn mặc cho hỏa lực của địch, rồi tập họp lại ở khu đất bằng phẳng theo như kế hoạch ban đầu. Cánh quân thứ năm, gồm 4 tiểu đoàn, được lệnh tấn công 4 tiền đồn mới. Vì thế, mũi tiến công tiền phong của Thụy Điển sẽ bị dãy tiền đồn phân làm hai nhánh giống như nước chảy giữa các tảng đá phải chia làm hai dòng, và đội theo sau phải đánh phá và nếu được, tràn ngập các tiền đồn này.

Khi bộ binh Thụy Điển vẫn còn đang lập đội hình thì đại pháo Nga trong các tiền đồn phía trước đã khai hỏa, giết chết một đại úy và sáu binh sĩ. Nhất thiết phải tiến quân ngay. Lúc 4 giờ sáng, khi mặt trời vừa ló dạng trên ngọn cây, việc điều quân đã xong, Rehnskiöld ra lệnh tiến quân.