Efter ett par misslyckade försök från svenskt håll att komma till ett avgörande mot ryssarna och för att få dem att ge upp Poltava, bestämde man sig för att sätta allt på ett kort. Fältmarskalken Rehnskiöld utformade tillsammans med Karl XII en till synes enkel plan. På samma vis som under slaget vid Narva ville man överrumpla fienden genom ett snabbt anfall. Vid midnatt den 28:e juni bröt man således upp med ett infanteri bestående av 8 200 man i fyra kolonner samt kavalleriet med 7 800 man i sex kolonner.
Dessutom följde Karl XII med på en bår, buren av 24 livgardister. Man valde dock, måhända för att underlätta en snabbare förflyttning framåt, att inte medföra majoriteten av artilleriet. Runt klockan 02:30 på morgonen stod svenskarna uppställda för anfall. Dock hade ryssarna under natten byggt ut sin försvarslinje med redutter (mindre slutna befästningar) som bildade ett ”T” för att klyva den svenska formeringen. Detta ledde till att överraskningsmomentet gått förlorat och svenskarna befann sig i skotthåll för det ryska artilleriet, varför man var tvungna att gruppera om sig. Kavalleriet kom på plats först runt 04:45 på morgonen, solen hade då gått upp och ryssarna hade haft tid att förbereda sig.
Huvuddelen av det svenska infanteriet lyckades ta sig förbi de ryska redutterna och fortsatte mot det ryska huvudlägret, dock uppstod förvirring och det skulle dröja minst två timmar av stillastående nordväst om det ryska lägret för att invänta resten av infanteriet. Runt klockan 10 om morgonen hade den ryska slagordningen hunnit formera sig utmed en front om 2 kilometer, varpå man började röra sig framåt mot svenskarna. Order om anfall från svenskt håll gavs, trots att man ännu inte hunnit helt formera sig, och en trupp om 10 bataljoner infanteri marscherade mot fienden, med order om att inte avfyra sina musköter innan de var alldeles nära motståndaren.
Mot en femdubbelt större fiende mötte de en förödande förlust under den 800 meter långa marschen mot den ryska linjen, varpå en lucka uppstod och ryska trupper kunde rycka fram. Det svenska infanteriet började fly, och kavalleriet fick försöka skydda reträtten. En halvtimme senare var det svenska nederlaget ett faktum och befälhavarna Rehnskiöld, Piper och Hamilton togs till fånga. Karl XII hade under stridens gång fått sin bår beskjuten och majoriteten av livgardister dödade, men lyckades under dramatiska omständigheter undkomma, hjälpt upp på en häst.
Slaget var förlorat och den svenska förlusten uppgick uppskattningsvis till så många som 9 000 man, medan de ryska trupperna mist ca. 1 345 man. Sverige skulle i och med detta förkrossande nederlag inte lyckas bygga upp den starka armé som man tidigare haft, och man kan förstå om moralen började svikta från svenskt håll. Trots det stora nederlaget tycks Karl XII inte fullt ut vilja redogöra för allt som skett. Bara drygt två veckor efter slaget skrev kungen själv hem till rådet i Stockholm med en något nedtonad version:
"Emellertid har tillståndet här varit gott och allt väl förlupit... Emellertid har den 28 förlidne månad genom ett öde och olyckligt tillfälle de svenske trupper lidit avbräck uti ett fältslag, vilket är skett alldeles intet genom fiendens stridbarhet eller myckenhet, ty fienden har i förstone allstadigt blivit driven: utan själva orten och lägenheten har varit så fördelaktig för fienden samt befäst, så att därigenom de svenske hava en förlust, som utav stor åtrå till fäktandet, oaktat alla fiendens fördelar, hava fienden allstadigt angripit och förföljt, varpå sedan har hänt, att mestedelen fotfolket blivit förlorat och själva rytteriet lidit också en stor avbräck."
Den ryska segern firades, likt den svenska segern efter Narva, med ett triumftåg genom Moskva den 21 december 1709. I denna parad ingick uppvisandet av beslagtagna svenska fanor, kanoner liksom krigsfångar, däribland den svenske fältmarskalken Rehnskiöld och kanslipresident Piper som båda tillfångatagits vid slaget. Syftet med denna parad går att likna vid den svenska segerparaden efter Narva nio år tidigare - det handlade om en maktmanifestation och uppvisning av den egna triumfen.
