В 9 часов утра линия шведской пехоты атаковала русскую пехоту. Шведы были встречены сначала артиллерийским огнём, затем противники обменялись ружейным огнём, после чего начали рукопашную схватку.
Шведская кавалерия К. Г. Крейца поддержала атаку своей пехоты; 4 левофланговых русских батальона (Нижегородский и Гренадерский полки бригадира де Бука) вынуждены были стать в каре, но кавалерия А. Д. Меншикова атаковала шведов во фланг, расстроив их атаку.
Воодушевляемое присутствием короля, правое крыло шведской пехоты яростно атаковало левый фланг русской армии. Под натиском шведов первая линия русских войск стала отступать. Напору противника поддались Казанский, Псковский, Сибирский, Московский (дивизии Л. Н. Алларта), а также Бутырский и Новгородский полки левого фланга дивизии А. И. Репнина. В передней линии русской пехоты образовался опасный разрыв боевого порядка: шведы штыковой атакой «опрокинули» 1-й батальон Новгородского полка, захватили свыше десятка русских орудий, некоторые из них они обратили против противника. Российская историография описывает подвиг царя Петра I, который вовремя заметил это, взял 2-й батальон Новгородского полка и во главе его бросился в опасное место. Прибытие царя положило конец успехам шведов и порядок на левом фланге был восстановлен.
Пока правый фланг шведской пехоты прорывал фронт русской армии, её левый фланг даже не вступил в соприкосновение с русскими. Напротив, русская пехота правого фланга генерал-лейтенанта М. М. Голицына (самые опытные, в том числе гвардейские полки) атаковала шведскую пехоту и обратила её в бегство. Кавалерия шведского левого фланга не успела поддержать собственную пехоту и вскоре сама была обращена в бегство, при этом командир Нюландского кавалерийского полка полковник Андерс Торстенссон погиб, а генерал-майор Х. Ю. Гамильтон попал в плен.
Бегство пехоты шведского левого фланга обнажило центр боевых порядков. Русская пехота усилила напор на противника, а таявшая тонкая линия шведов сломалась, разрывы между батальонами достигли 100—150 м. Фланги русской армии охватили боевой порядок шведов. Шведы уже устали от напряжённого боя. Оба стоявших в центре батальона Уппландского полка были окружены и полностью уничтожены (из 700 человек к своим вышли только 14; погибли полковник Густав Шернхёк (Stiernhook) и подполковник Арендт фон Пост). В бою погибли также полковники Карл Густав Ульфспарре (командир Скараборгского полка), Густав Ранк (командир Кальмарского полка) и Георг Юхан Врангель (командир 2-го батальона Нерке-Вермландского полка). Под натиском русских сил потерявшие строй шведы начали беспорядочное отступление, превратившееся к 11 часам в настоящее бегство. В результате Полтавской битвы армия короля Карла XII была настолько обескровлена, что уже не могла вести активных наступательных действий. Военное могущество Швеции было подорвано, и в Северной войне произошёл перелом в пользу России. На встрече с саксонским курфюрстом Августом II в Торуни был вновь заключен военный союз Саксонии с Россией. Датский король также вновь выступил против Швеции, причём теперь, благодаря приобретенному авторитету, России это не стоило ни денежных субсидий, ни посылки воинского контингента.
