Под покровом ночи началось наступление шведской пехоты и конницы — в сумме около 16 000 человек. Всего же, по подсчетам военных историков, в бой вышло от 20 000 до 27 000 человек. Правда, из 35 артиллерийских орудий шведы взяли только четыре — это позволило не терять скорости при наступлении, но зато обеспечило русской армии сокрушительное превосходство в артиллерии. Несколько шведских отрядов и оставшиеся мазепинцы охраняли обоз, коммуникации или оставались в траншеях у Полтавы. С российской стороны в бою участвовало около 32 000 человек.
К трем часам ночи четыре колонны шведской пехоты подошли к русским позициям, но кавалерия в темноте заблудилась и эффект неожиданности был потерян. Русские заметили врага и открыли по нему огонь. Шведы бросились на укрепления и взяли некоторые штурмом, истребив всех защитников, но в результате их боевые порядки были разорваны, а пройдя наконец линию редутов, они оказались лицом к лицу с русской кавалерией. Отбив несколько атак, драгуны стали отступать, а шведы понеслись вслед за ними.
План короля был полностью сорван. К тому же шесть пехотных батальонов генерала Рооса (2600 человек, треть вышедшей в бой шведской пехоты!) увлеклись осадой одного из редутов, так и не сумели его взять и заблудились. Они долго плутали по лесу, отбиваясь от русских отрядов, и, потеряв 85% личного состава, сложили оружие.
Основные силы шведов тем временем давали главный бой на поле перед русским лагерем. Шведская кавалерия оказалась зажатой между своей пехотой и Будищенским лесом и не успела восстановить порядок в рядах. Петр I решил взять инициативу в свои руки — русская армия вышла из лагеря и построилась в боевой порядок. Теперь преимущество было огромным. Против двух русских линий из 42 батальонов (17 800 человек) шведы выстроили только одну (около 6000 человек). Но в девятом часу утра они все же вновь пошли в атаку. На огонь 127 разного типа орудий отвечать было нечем — артиллерии у шведов не было, а ружейный порох был плох, поэтому Левенгаупт стремился как можно ближе подвести свои батальоны к русским линиям.
Когда между рядами синих и зеленых мундиров осталось примерно 50 метров, шведы выдер жали русский залп и продолжали упорно идти вперед. На расстоянии 25—30 метров Левенгаупт крикнул: «Пли!» Каролины сдвоили ряды и произвели залп по русским солдатам. На правом фланге и ближе к центру они стали теснить противника. Погиб командир Новгородского полка, шведы захватили несколько знамен и пушек и из одной из них даже успели несколько раз выстрелить по отступавшим. Хотя рассказ о том, что Петр лично возглавил полк и спас положение, видимо, позднейшая легенда, но он несомненно участвовал в бою: в Зимнем дворце хранятся пробитая шведской пулей шляпа монарха и нагрудный щиток с глубокой вмятиной от второй.
