Русские войска подошли к Полтаве в конце мая. Главнокомандующим был назначен генерал-фельдмаршал Б. П. Шереметев. Брюсу было поручено командование артиллерией.
Шведы ринулись в атаку за два часа до рассвета. С обнаженной шпагой, лежа в притороченной к лошадям качалке, шведский король находился в центре боевых порядков, призывал свое войско к победе. Русские войска встретили шведов, подошедших к редутам в 3 часа ночи, сильным ружейным и артиллерийским огнем. Неприятель прихватил с собой всего четыре пушки. Объяснялось это не только нехваткой пороха у шведов. Все европейские армии в начале XVIII века не придавали особого значения артиллерии, опираясь в сражениях, как правило, на конницу. Реформа, проведенная Брюсом в артиллерии, не просто сделала ее самой сильной в мире, она изменила в корне подход к артиллерии в военной тактике, показав ее значение как одного из ведущих родов войск.
Шведам удалось овладеть двумя недостроенными редутами, раздались их торжествующие возгласы: «Победа! Победа!» Веру шведов в победу укрепили также успешные действия их кавалерии, на короткое время потеснившей русских драгун. Радость, однако, была преждевременной. Оказавшись без поддержки артиллерии и не имея гранат, шведы понесли огромные потери. Пехота под командованием шведского генерала К. Г. Рооса и кавалерия В. А. Шлиппенбаха, не выдержав губительного огня, отошла в Яковецкий лес. Связь этих отрядов с основными силами шведов была утрачена. Конница Меншикова атаковала кавалерию Шлиппенбаха, разгромив ее и захватив в плен командовавшего ею полковника. Такую же участь разделила и пехота Рооса, пытавшаяся было укрыться в шведских укреплениях под Полтавой. На плечах бегущих пехота русского генерала Ренцеля ворвалась в укрепления и уничтожила или пленила этот отряд.
В девятом часу утра начался решающий этап битвы. Реляция описывает его так: «И как войско наше, таковым образом в ордер баталии (боевой порядок) установясь, на неприятеля пошло, и тогда о 9-м часу предполуднем атака и жесткий огонь с обеих сторон начался, которая атака от наших войск с такою храбростью учинена, что вся неприятельская армия по получасовом бою с малым уроном наших войск (еже при том и наивяще удивительно), как кавалерия, так и инфантерия, весьма опровергнута, так что шведская инфантерия не единожды потом не останавливалась, но без остановки от наших шпагами, багинетами и пиками колота».
Вспоминая Полтаву, шведы говорили: «Пока длилось сражение, мы слышали такую сильную пальбу и грохот пушек, какой нельзя было представить, если бы не слышали его собственными ушами».
