К началу 1700 года в Европе сформировалась антишведская коалиция — Северный Союз — в составе России (Петр I), Дании (Фредерик IV), Речи Посполитой и Саксонии (Август II Сильный). Военные действия начались с вторжения зимой 1700 года саксонских войск в Лифляндию и нападения датчан на союзное Швеции герцогство Гольштейн. Осенью 1700 года русские войска осадили Нарву. Карл XII, заключив союз с Англией и Голландией, высадился со своей армией на острове Зеландия и с помощью англо-голландского флота вынудил Фредерика IV заключить с Гольштейном Травендальский мир. Дания вышла из войны. Затем Карл XII перебросил свои войска под Нарву, где в сражении 19 ноября 1700 года разгромил русские войска. В 1701 году шведская армия двинулась против польско-саксонской армии Августа Сильного. Военные действия шли на территории Речи Посполитой, где Карл XII нанес противнику ряд поражений (при Клишове, 1702, и под Торном, 1703). В 1704 году созванный по инициативе Карла XII сейм в Варшаве низложил Августа Сильного и избрал королем Польши Станислава Лещинского.

В 1700-1702 годах Петр I осуществил военную реформу, создал регулярную армию и осенью начал наступление в Ингерманландии и Эстляндии : в 1702 и 1703 годах пали шведские крепости Нотебург и Ниеншанц, в устье Невы был основан Санкт-Петербург, летом 1704 года русские войска взяли Дерпт и Нарву. Петр I начал создание российского военно-морского флота, основал морскую базу Кронштадт. В 1705 году русские войска вступили в Польшу для помощи Августу Сильному.

В августе 1708 года Карл XII двинулся со своей 40-тысячной армией на Россию. Русские отступали, применяя тактику «выжженной земли». 28 сентября 1708 года передовому отряду русских войск удалось разгромить у деревни Лесная корпус генерала Левенгаупта. В это время Карл XII находился на Украине, где рассчитывал на помощь украинского гетмана Мазепы. Летом 1709 года армия Карла XII осаждала Полтаву, где 27 июня была разгромлена Петром I в генеральном сражении. Через три дня остатки шведской армии капитулировали у Переволочны. Карл XII сумел с небольшим отрядом уйти во владения турецкого султана, где оставался (сначала в Бендерах, затем в Эдирне) до 1714 года.

Полтавское сражение стало переломным моментом в Северной войне. Северный союз возродился: Фредерик IV и Август II возобновили войну. К антишведской коалиции присоединилась Пруссия, а позже Ганновер. В 1710-1714 годах русские войска заняли всю Эстляндию, включая Ревель и Пернов, Лифляндию с Ригой, Южную Финляндию с Выборгом. В 1713 году датчане взяли обороняемую шведами крепость Теннинген в Гольштейне, а в 1714 году русский флот нанес поражение шведскому при Гангуте.

Пришедшая к власти в Швеции «гессенская» партия (сторонники сестры Карла XII Ульрики Элеоноры и ее мужа Фридриха Гессенского) оттеснила «голштинскую» (сторонников племянника короля герцога Карла Фридриха Гольштейн-Готторпского) и стала вести переговоры о мире с западными союзниками России. В ноябре 1719 года был заключен мирный договор с Ганновером, которому шведы продали свои опорные пункты на Северном море — Бремен и Ферден, — получив взамен союз с Англией. По мирному договору с Пруссией (январь 1720) шведы уступили часть Померании со Штеттином и устьем Одера, получив за это денежную компенсацию. В июне 1720 года Швеция заключила Фредриксборгский мир с Данией, пойдя на значительные уступки в Гольштейне. Рассчитывая на помощь Англии, шведы намеревались продолжать войну против России, но русские десанты, высаженные на территории Швеции, и провал надежд на создание антирусской коалиции заставили Стокгольм пойти и на мир с Россией. После пятимесячных переговоров в городе Ништадте (ныне Усикаупунки) в Финляндии 30 августа 1721 года был подписан мирный договор, по которому Швеция уступала России Прибалтику и юго-западную Карелию, сохранив за собой Финляндию. В итоге Швеция утратила свои владения на восточном берегу Балтики и значительную часть владений в Германии, сохранив лишь часть Померании и остров Рюген.