Asiain ollessa tällä kannalla Kaarle sai vihdoinkin uutisia Tukholmasta. Ne toivat hänelle tiedon hänen sisarensa, Holsteinin herttuattaren, kuolemasta; hän oli sortunut rokkoon joulukuussa 1708 seitsemännelläkolmatta ikävuodellaan. Tämä prinsessa oli yhtä lempeä ja helläsydäminen kuin hänen veljensä oli käskevä tahdonilmaisuissaan |a leppymätön kostossaan. Kuningas oli aina suuresti hellinyt häntä ja oli nyt sitä murheellisempi hänen menettämisestään, kun hänen alkava onnettomuutensa oli jo tehnyt hänet hieman tunteellisemmaksi.
Hän sai myös tietää, että hänen käskystään oli kutsuttu aseihin uusia joukkoja ja hankittu rahaa; mutta mitään niistä ei voinut saapua hänen leiriinsä saakka, koska hänen ja Tukholman välillä oli lähes viisisataa penikulmaa matkaa ja ylivoimaisia vihollisjoukkoja.
Tsaari, ollen yhtä toimelias kuin Kaarle, oli kenraali Sieniawskin johdolla Stanislausta vastaan yhtyneille Puolan liittoutuneille lähettänyt uusia apujoukkoja ja samosi nyt itse, keskellä ankaraa talvea, Ukrainaan, tekemään tenää Ruotsin kuninkaalle. Täällä hän jatkoi entistä menettelyään, heikontaen vihollistaan pikkutaisteluilla, koska arvasi hyvin, että ruotsalainen armeija, joka ei voinut saada mistään uutta väkeä, ajan oloon kokonaan tuhoutuisi. Pakkasen on muutoin täytynyt olla aivan tavatonta laatua, koska molempien vihollisten oli pakko sopia aselevosta. Mutta jo helmikuun 1 päivästä alkaen ryhdyttiin uudelleen taistelemaan jään ja lumen keskellä.
Useiden pienten ottelujen ja muutamien vastoinkäymisten jälkeen kuningas näki huhtikuussa ruotsalaisia olevan jäljellä enää vain 18,000 miestä. Kasakkaruhtinas Mazeppa yksin piti huolta heidän muonituksestaan; ilman hänen apuaan armeija olisi kuollut nälkään ja kurjuuteen. Näissä oloissa tsaari ehdotti Mazeppalle, että tämä taas alistuisi hänen ylivaltaansa; mutta kasakka oli uskollinen uudelle, liittolaiselleen, joko siksi, että hirveä teilausrangaistus, joka oli tuhonnut hänen ystävänsä, pani hänet pelkäämään omastakin puolestansa, tai siksi, että hän tahtoi kostaa heidän kuolemansa.
Kaarle ei vielä 18,000 miehensä kera ollut luopunut aikeestaan ja toivostaan tunkeutua Moskovaan saakka. Hän ryhtyi toukokuun lopulla piirittämään Pultavaa, joka sijaitsee Vorsklan varrella, Ukrainan itärajalla, runsaasti kolmentoista penikulman päässä Dnjepristä. Mainittu paikka on zaporogien, maailman kummallisimman kansan, alueella. Tähän kansaan kuuluu muinaisia venäläisiä, puolalaisia ja tataareja, jotka tunnustavat eräänlaista kristinuskoa ja harjoittavat rosvousta merirosvojen tapaan. He valitsevat itselleen päällikön, jonka useinkin sitten joko erottavat tai kuristavat. He eivät siedä luonansa naisia, mutta kyllä ryöstävät kaikki lapset kahden- tai kolmenkymmenen penikulman piiristä ja kasvattavat ne omiin tapoihinsa. Kesäisin he aina ovat sotaretkillä, talvisin he loikoilevat tilavissa ladoissa, joihin mahtuu neljä- tai viisisataa miestä. He eivät pelkää mitään, elävät vapaudessaan ja uhmaavat kuolemaa pienimmänkin saaliin vuoksi, yhtä pelottomasti kuin Kaarle XII uhmasi sitä lahjoittaaksensa kruunuja.
Tsaari maksoi heille 60,000 floriinia [alkujaan italialainen kultaraha, arvoltaan noin 12 mk. —Suom. muist.], toivoen heidän siten asettuvan hänen puolelleen. He ottivat hänen rahansa, mutta julistautuivatkin Mazeppan toimesta Kaarle XII:n puolelle. Heistä oli tosin sangen vähän hyötyä, koska he pitivät naurettavana taistella muun kuin ryöstämisen vuoksi. Oli jo paljon sekin, etteivät he tehneet haittaa; korkeintaan noin kaksituhatta miestä teki todellista sotapalvelusta. Eräänä aamuna esiteltiin kymmenen heidän päälliköistään kuninkaalle, mutta työlästä oli pitää heitä sen aikaa selvinä, sillä he aloittivat aina päivänsä juomingilla. Heidät vietiin juoksuhautoihin; täällä he osoittivat taitoaan pitkillä pyssyillään ampumisessa; he näet nousivat rintasuojuksen takapuolelle ja ampuivat kuudensadan askeleen päästä kuoliaaksi jokaisen maaliksi valitsemansa vihollisen. Kaarle liitti näiden rosvojen joukkoon muutamia tuhansia valakkeja, jotka Pienen Tartarian kaani möi hänelle. Siten hän nyt piiritti Pultavaa kaikilla näillä zaporogien, kasakkain ja valakkien joukoilla, jotka yhdessä hänen 18,000 ruotsalaisensa kanssa muodostivat noin 30,000 miehen suuruisen armeijan, mutta armeijan, joka oli aivan rappiolla ja kaiken puutteessa. Tsaarilla oli Pultavassa suuria varastoja. Jos kuningas valloittaisi sen, avaisi hän jälleen itselleen tien Moskovaan ja voisi ainakin, kun hänellä oli yltäkylläisesti kaikkia tarpeita, odottaa rauhassa niitä apujoukkoja, joiden hän vielä toivoi saapuvan Ruotsista, Liivimnaalta, Pommerista ja Puolasta. Koska Pultavan valloitus siis oli hänen ainoa pelastuksensa, kiiruhtikin hän kiihkeästi sen piiritystä. Mazeppa, jolla oli kannattajia kaupungissa, vakuutti hänen pian pääsevän sen herraksi. Uusi toivo elpyi armeijassa; sotamiehet pitivät Pultavan valloitusta kaikkien kärsimystensä loppuna.
Heti piirityksen alussa huomasi kuningas opettaneensa vihollisilleen sotataidon. Ruhtinas Menshikovin onnistui, kaikista hänen varokeinoistaan huolimatta toimittaa kaupunkiin apuväkeä, minkä johdosta varusväki kasvoi lähes 5,000 miehen vahvuiseksi.
Kaupungista tehtiin uloshyökkäyksiä, jotka joskus olivat menestyksellisiä, ja laukaistiin miinoja. Mutta kaupungin teki valloittamattomaksi tsaarin läheneminen 70,000 soturin kanssa.[26] Kaarle lähti kesäkuun 27 p:nä, syntymäpäivänään, tiedusteluretkelle heitä vastaan ja tuhosi yhden hänen osastoistaan. Mutta hänen palatessaan leiriinsä osui häneen pyssynlaukaus, joka lävisti hänen saappaansa ja musersi kantapääluun. Hänen kasvoissaan ei huomattu pienintäkään muutosta, josta olisi voitu aavistaa hänen haavoittuneen; hän antoi edelleen tyynesti käskyjään ja pysyi vielä lähes kuusi tuntia ratsun selässä. Eräs hänen seuralaisistaan huomasi vihdoin kuninkaan saappaan alaosan olevan veressä ja riensi hakemaan haavalääkärejä. Kuninkaan tuska alkoi jo olla niin polttava, että täytyi auttaa hänet alas satulasta ja kantaa telttaansa. Haavalääkärit tutkivat hänen vammansa ja olivat sitä mieltä, että jalka oli katkaistava. Armeijan hämmästys tämän johdosta oli kuvaamaton. Vain eräs haavalääkäri, nimeltä Neumann, ollen muita taitavampi ja rohkeampi, vakuutti syviä leikkauksia tekemällä voivansa pelastaa kuninkaan säären. "Ryhtykää sitten heti työhön", sanoi kuningas hänelle, "leikatkaa rohkeasti älkääkä pelätkö mitään". — Hän tuki itse molemmin käsin säärtänsä ja katseli leikkausta aivan kuin jos se olisi koskenut jotakuta toista.
Vielä silloin, kun hänen haavojansa sidottiin, hän antoi rynnäkkökäskyn huomispäiväksi. Mutta tuskin hän oli antanut tämän käskyn, kun hän sai tiedon koko vihollisarmeijan hyökkäyksestä. Täytyi siis tehdä toinen päätös. Kaarle, haavoittuneena ja kykenemättä toimimaan, näki olevansa Dnjeprin ja Pultavan ohi virtaavan joen välissä, autiossa ja linnoittamattomassa seudussa, ilman ampumatarpeita, vastapäätä armeijaa, joka sulki häneltä peräytymistien ja elintarpeiden tuonnin. Tässä tukalassa tilassa hän ei suinkaan kutsunut kokoon sotaneuvostoa, kuten monissa kertomuksissa on mainittu, vaan kutsutti heinäkuun 7 ja 8 päivän välisenä yönä telttaansa sotamarski Rehnsköldin ja käski hänen, lähemmin asiasta neuvottelematta ja osoittamatta mitään levottomuutta, ryhtyä kaikkiin toimenpiteihin tsaarin kimppuun käymiseksi seuraavana päivänä. Rehnsköld ei vastustellut vähääkään vaan lähti tottelemaan määräystä. Kuninkaan teltan ovella hän kohtasi kreivi Piperin, jonka kanssa hän jo kauan oli ollut huonoissa väleissä, kuten usein sattuu ministerin ja kenraalin kesken. Piper kysyi häneltä, kuuluiko mitään uutta. "Ei", vastasi kenraali kylmästi ja meni ulos antamaan määräyksiänsä. Piperin päästyä telttaan tiedusteli kuningas häneltä: "Onko Rehnsköld ilmoittanut teille mitään?" — "Ei", vastasi Piper. — "No hyvä, minä siis ilmoitan teille, että huomenna me taistelemme", virkkoi kuningas. — Kreivi Piper kauhistui niin epätoivoista päätöstä, mutta hän tiesi hyvin, ettei voitaisi ikinä muuttaa hänen herransa mieltä; niinpä hän osoittikin hämmästystään vain vaikenemisellaan ja antoi Kaarlen nukkua päivänkoittoon saakka.
Heinäkuun 8 p:nä v. 1709 suoritettiin sitten ratkaiseva Pultavan taistelu, jossa kaksi silloisen ajan merkillisintä hallitsijaa seisoi vastakkain: Kaarle XII, joka oli saanut maineensa yhdeksän vuoden voitoilla, ja Pietari Aleksejevitsh, jonka maine perustui yhdeksän vuoden vaivoihin hänen koettaessaan saattaa sotajoukkojansa ruotsalaisten joukkojen vertaisiksi; edellinen kunnian seppelöimä sentähden, että oli jaellut muille vieraita maita, jälkimäinen sentähden, että oli sivistyttänyt omiansa; Kaarle, vaarojen rakastaja, joka taisteli pelkästään kunnian vuoksi, Pietari Aleksejevitsh, joka ei suinkaan väistänyt vaaraa, mutta kävi sotaa yksinomaan etujensa vuoksi; Ruotsin yksinvaltias, antelias mielenjaloudesta, Venäjän itsevaltias, antelias ainoastaan määrätyssä tarkoituksessa; edellinen esimerkittömän kohtuullisuuden ja pidättyväisyyden mies, jo luonteeltaan ylevämielinen ja vain yhden ainoan kerran julma; jälkimäinen kasvatuksensa ja kansansa raakuuden tulos, yhtä hirvittävä alamaisilleen kuin ihmeteltävä muukalaisille ja liiaksi halukas hurjisteluihin, jotka ovatkin lyhentäneet hänen elämäänsä. Kaarlella oli lisänimi "voittamaton", jonka yksi ainoa hetki voi häneltä riistää; Pietari Aleksejevitshille olivat hänen kansansa jo antaneet nimen "suuri", jota mikään tappio ei voinut viedä häneltä, koska hän ei ollut saanutkaan sitä voittojensa vuoksi.