於俄軍內部號令不一、組織混亂，儘管人數佔據絕對優勢，但依然難以抵擋瑞典軍隊的攻勢。最終，俄軍全線崩潰，幾乎全軍覆沒，超過15萬名俄軍士兵戰死，而瑞典方面僅損失了667人。這場慘敗不僅讓俄國幾乎陷入了滅頂之災，也震驚了整個歐洲。

面對如此沉重的打擊，彼得一世並沒有灰心喪氣。他從失敗中深刻認識到俄國軍隊的軟弱渙散和裝備的落後。利用瑞典軍隊深陷波蘭戰事的有利時機，彼得一世開始大刀闊斧地進行軍事改革。他大規模徵集新兵，並對他們進行嚴格的火槍使用訓練。同時，他還派遣貴族子弟前往國外學習先進的軍事技術和理論，並在國內開設各類軍事學校，培養新型軍事人才。彼得一世非常重視軍官的選拔和任命，他根據才能提拔軍官，確保軍隊的指揮系統更加高效。此外，他還親自主持制定了許多規章制度和軍事條令，使俄軍的戰鬥力迅速提升。

為了彌補上一次戰爭中軍械的損失，彼得一世命令全國每三個教堂交出一口銅鐘用於鑄造大炮。僅僅一年時間，俄國就鑄造了300門大炮，極大地增強了俄軍的火力。經過這一系列改革，俄軍逐漸成為俄國曆史上空前強大的軍隊。

1702年，彼得一世抓住瑞典軍隊主力遠征波蘭、波羅的海沿岸防務空虛的良機，率領大軍直奔涅瓦河口，先後攻克了瑞軍堅守的諾特堡和寧尚茨堡。這一系列勝利使得涅瓦河流域全部落入俄軍手中，俄國在波羅的海的出海口夢想終於得以實現。

1703年5月，彼得一世在涅瓦河口開始興建彼得堡和克琅施塔得要塞，這兩座要塞不僅為俄國提供了一個重要的海上基地，也成為日後俄國北方艦隊的中心。

1708年初，瑞典國王卡爾十二世率大軍大舉進攻俄國。面對來勢洶洶的瑞典軍隊，彼得一世採取了靈活的戰略，他命令俄軍實施戰略退卻，同時堅壁清野，以小部隊不斷襲擾、消耗和疲憊瑞典軍隊。到了秋天，卡爾十二世為了爭取烏克蘭的支援，決定南下進攻烏克蘭境內的波爾塔瓦要塞，卻將離自己只有100公里的後援部隊孤立在後方。彼得一世抓住這一機會，親率俄軍發動進攻，成功殲滅了9000餘名瑞典士兵，並繳獲了大量火炮和輜重。

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1709年6月28日凌晨2時，俄國與瑞典在波爾塔瓦展開了決定性的戰役。瑞典參戰兵力約2萬人，而俄軍兵力約為瑞典的兩倍，擁有上百門火炮。在戰鬥中，彼得一世親臨前線指揮，成功穩住了局勢。隨後，俄軍步兵開始反擊，騎兵則包圍了瑞典軍的兩翼。到中午時，瑞典軍隊開始撤退，最終演變成潰逃。瑞典殘部在撤退過程中被俄軍追擊，被迫投降。此役，瑞典軍隊被擊斃9000餘人，被俘18萬餘人，損失火炮32門和全部輜重，而俄軍戰死1345人，傷3290人。波爾塔瓦戰役不僅決定了北方戰爭的最終結局，也徹底終結了瑞典作為歐洲強國的歷史

1711年夏季，彼得一世率軍南征奧斯曼帝國，意圖進一步擴大俄國的影響力。然而，這次軍事行動並不順利。在普魯特河畔，俄國軍隊陷入了奧斯曼帝國和克里米亞汗國聯軍的重重包圍之中。由於彈盡糧絕，彼得一世不得不向敵人求和。7月12日，雙方簽訂了《普魯特和約》。根據條約，俄國必須將亞速及其附近地區歸還給奧斯曼帝國，拆除塔幹洛格和第聶伯河上的要塞，並允許卡爾十二世安全透過俄國回國。雖然這次失敗對俄國計程車氣造成了打擊，但彼得一世並沒有放棄他的擴張野心。

《普魯特和約》簽訂後，彼得一世調整了戰略方向，將主要的軍事行動集中在芬蘭，試圖逐步將戰場推進至瑞典本土。1712年至1714年間，俄軍在芬蘭取得了顯著進展。他們先後佔領了赫爾辛福斯（今赫爾辛基）、亞波、瓦扎和