В 1700 г. между Швецией и странами Северного союза начались боевые действия, вошедшие в историю под названием Северной войны, продолжавшейся 21 год. Для союзников первые же месяцы этой войны оказались неудачными. Воспользовавшись тем, что Фридрих IV направился со своими главными силами отвоевывать Шлезвиг, Карл XII, при поддержке англо-голландского флота, высадил десант на датский остров Зеландия и осадил Копенгаген. Угрожая сжечь столицу Дании, Карл XII заставил Фридриха IV капитулировать и выйти из Северного союза. Это произошло 7 августа 1700 г. 19 августа Россия объявила войну Швеции. Но Карл XII, осуществляя свой план разгрома противников поодиночке, направил войска в Лифляндию, где в это время Август II осаждал Ригу. Польский король тоже вынужден был отступить и увести свои войска. И лишь после этого Карл XII обрушился всеми силами на Россию, которой пришлось в одиночку вести боевые действия с наиболее могущественной из всех армий Европы.

После расформирования стрелецких полков Петр I фактически остается без войска, два полка бывших потешных, несколько полков "иноземного строя", давно распущенные по домам, дворянское ополчение - вот все, чем он располагал. К весне 1700 г. было сформировано только 9 полков (около 32 тыс. человек).

В сентябре 1700 г. русские полки осадили город-крепость Нарву, считавшуюся ключом к Ингерманландии, расположенной на восточном берегу Финского залива. Падение Нарвы открыло бы России путь к морю. Казалось, что взять эту крепость не составит большого труда, ведь гарнизон ее насчитывал всего 3 тыс. человек. В русской же армии было 34 тыс. человек и 145 орудий. Однако за полтора месяца русским так и не удалось сломить сопротивление шведского гарнизона. А к середине ноября на помощь осажденным прибыли основные силы шведов во главе с Карлом XII. Это была армия, в которой под ружьем находилось от 23-х до 35-ти тыс. солдат; их поддерживало 37 орудий.

16 ноября Петр получил сообщение о подходе Карла XП, а в середине дня 19-го шведы атаковали русские позиции. К вечеру дворянская конница бежала на другой берег Нарвы, офицеры и часть русских сдались в плен, и только Преображенский и Семеновский полки и дивизия Головина еще были в состоянии защищаться. Их командиры вступили в переговоры с Карлом XП. В результате эти части, 80 офицеров, среди них 10 генералов, 135 пушек были потеряны. Вероятно, поражение не явилось для Петра неожиданностью. Впоследствии он сказал, что "все то дело яко младенческое играние было".

После разгрома русской армии под Нарвой у Карла ХП остался выбор: либо идти в глубь России, имея за спиной саксонскую Армию, гораздо более боеспособную, чем русская, и это был бы один поворот истории для России, либо сначала идти против Августа П. Шведский король выбрал второе и надолго "увяз" в Польше. Только в 1706 г. он смог принудить Августа П к миру и выходу из союза с Россией.

Петр полностью использовал передышку, предоставленную ему шведами. Как пишет Ключевский, "предоставляя действовать во фронте своим генералам и адмиралам, Петр набирал рекрутов, составлял планы военных движений, строил корабли и военные заводы, заготовлял амуницию, провиант и боевые снаряды, все запасал, всех ободрял, понукал, бранился, дрался, вешал, скакал с одного конца государства в другой, был чем-то вроде генерал-фельдцейхмейстера, генерал-провиантмейстера и корабельного обер-мастера". При этом он еще находил время проводить реформы. Результаты этой деятельности сказались очень быстро: с конца 1701 г. русская армия стала по частям бить шведскую. В 1702 г. Петр штурмом овладел Орешком (переименовав его в Шлиссельбург); в 1703 г. в устье Невы заложил Санкт-Петербург; были также взяты Ям, Копорье и Мариенбург; в 1704 г. штурмом была взята Нарва; в 1705 г. жестоко подавлено восстание в Астрахани, а в 1707-1708 г.г. - восстание К.И.Булавина; в 1708 г. Петр разбил шведов у села Доброго, затем корпус Левенгаупта у деревни Лесной, а 27 июня 1709 г. - армию Карла ХП у Полтавы.

Полтавская победа стала поворотным пунктом в истории России. После Полтавской победы международное значение России резко повысилось. Саксония и Дания возобновили с ней союз. К нему примкнула и Пруссия, обязавшаяся не пропускать через свою территорию шведские войска, а в 1714 году и сама вступила в войну с Швецией (но военных действий она почти не вела). В 1710 г. с Россией заключил союз Ганновер, курфюрст которого в скором времени стал английским королем. В 1710 г. русские войска заняли Выборг, Кексгольм, Ригу и Ревель. Петр сохранил прибалтийско-немецкому дворянству его привилегии, а оно признало присоединение Эстляндии и Лифляндии к России.

Осенью 1710 года Турецкое правительство объявило войну России, опасаясь ее дальнейшего усиления. Расчеты Петра на помощь княжеств Молдавии и Валахии не оправдались, на берегу Прута русская армия была окружена. Атаки турок были отбиты, но Петр решил не рисковать армией и вступил в переговоры. По мирному договору России пришлось вернуть Турции Азов и срыть укрепления Таганрога, то есть потерять выход в Азовское море.

Петр трезво оценил ситуацию: "Сие дело есть хотя и не без печали, что лишиться тех мест, где столько труда и убытков положено, однакож чаю сим лишением другой стороне великое укрепление, которая несравнительно прибылью нам есть". Мир развязал руки для войны со Швецией. Карл ХП находился в тяжелом положении, но на мирные переговоры не соглашался. В 1712-1714 гг. русские войска воевали в Финляндии и северной Германии. Вступил в действие и построенный Петром Балтийский флот: в июле 1714 г. у мыса Гангут были захвачены 10 шведских кораблей. К 1716 году соединенными усилиями русских, саксонцев и датчан северная Германия была очищена от шведских войск, а русская армия и флот изгнали их из Финляндии. В 1718 г. начались переговоры с Швецией о мире.

В конце 1718 г. при осаде крепости в Норвегии был убит Карл ХП и переговоры были прерваны. В 1719 г. русский флот одержал новые победы над шведами у островов Эзель и Гренгам. Русские корабли действовали уже у берегов Швеции, высаживая там десанты.

30 августа 1721 года с Швецией был заключен Ништадтский мирный договор, по которому Россия получила побережье Балтийского моря от Выборга до Риги: часть Карелии, Ингрию, Эстляндию и Лифляндию с островами Эзель, Даго и Мен, но в то же время возвращала Швеции Финляндию, уплачивала около 1,5 млн.рублей и разрешала шведам закупать и беспошлинно вывозить на 50 тыс.рублей хлеба из Прибалтики. Петр считал Северную войну затянувшейся тяжелой школой. Он говорил "Все ученики науки в семь лет оканчивают обыкновенно, но наша школа троекратное время была (21 год), однакож, слава богу, так хорошо окончилась, как лучше быть невозможно".

Победа в Северной войне, создание регулярной русской армии и флота, их боевой опыт сделали Россию одной из сильнейших держав в Европе. Сенат поднес Петру титулы Великого, Отца Отечества и императора всероссийского. Московия отныне превратилась в Российскую империю, став в международных отношениях на уровень Священной Римской империи, Англии, Франции, Голландии и Испании.