Был еще заключен отдельный, секретный договор со Станиславом Лещинским. Мазепа отдавал всю гетманскую Украину под власть Речи Посполитой (союза Польши и Литвы); Мазепе за это были обещаны во владение воеводства Полоцкое и Витебское и княжеский титул (то есть по европейским меркам он становился герцогом, подобно Курляндскому и другим). Разумеется, содержание этого «секретного протокола» Мазепа не сообщил своим сторонникам. Он прекрасно знал, что украинцы по своей воле не пойдут под власть поляков. Наоборот, Мазепа убеждал заговорщиков, что хочет вернуть Украине «вольности, от которой москали оставили только тень».
Чем ближе в развязке, тем больший страх переживал Мазепа. Для русских он уже давно прикидывался больным, а теперь, заключив предательский договор, стал уверять, что чуть ли не при смерти. На совещание к Меншикову вместо себя он отправил племянника Войнаровского. 23 октября 1708 года Войнаровский тайком вернулся и сообщил Мазепе, что Меншиков сам едет к гетману и назавтра будет здесь. Войнаровский будто бы подслушал разговор двух русских офицеров: «Помилуй, Господи, этих людей! Завтра они будут в кандалах». Это известие не считал достоверным даже Орлик, полагая, что «Мазепа научил его (Войнаровского) так говорить, чтоб нас всех обольщать». Скорее всего, Мазепа так боялся разоблачения, что у него попросту сдали нервы. Он «порвался как вихорь» и поспешил в свой Батурин. Там он прихватил часть своей казны, наскоро организовал оборону и бежал дальше. 25 октября Мазепа переправился через Десну, с ним было не больше пяти тысяч козаков. Только здесь они узнали, что гетман ведет их не против шведов, а против русских. Мазепа обратился к своему отряду с речью, содержание которой излишне пересказывать. Козаки выслушали речь гетмана молча, размышляя про себя: продолжить ли с ним гибельный путь или дать тягу при первом удобном случае… В тот же день Мазепа был уже в расположении шведских войск. Измена свершилась. Через три дня Мазепа привел свой отряд к присяге. По разным сведениям под его началом оставалось от нескольких сот до полутора тысяч козаков.
План Мазепы и надежды Карла XII начали рушиться с самого начала. Сколько-нибудь значительного перехода козаков на сторону противника не произошло и впредь не ожидалось.
Петр был, конечно, потрясен предательством Мазепы. Но быстро предпринял решительные меры. Он разослал во все полки, города и крепости манифест об измене «иуды Мазепы»: «Известно нам, великому государю, учинилось, что гетман Мазепа, забыв страх Божий и крестное к нам целованье, изменил и переехал к неприятелю нашему… дабы малороссийскую землю поработить». Царь обещал амнистию и сохранение чинов и маетностей всем, кто оставит изменника и вернется к прежней службе. Наконец, он заявлял о верности украинцев союзу с Россией и запрещал попрекать их предательством Мазепы. Затем Петр I созвал старшину, полковников и значных козаков в город Глухов для избрания вольными голосами нового гетмана.
