После возвращения из Великого посольства царь начал готовиться к войне со Швецией за выход к Балтийскому морю.
Поражением русской армии закончилась попытка захватить крепость Нарву. 30 ноября 1700 года (по новому стилю) Карл XII с 8500 солдатами атаковал лагерь русских войск, и полностью разгромил 35-тысячную неокрепшую русскую армию. Сам Пётр уехал от войск в Новгород за два дня до того. Посчитав, что Россия достаточно ослаблена. Карл XII ушёл в Ливонию, чтобы направить все силы против основного, как ему казалось, противника – Августа II.
Однако Пётр, наскоро реорганизовав армию по европейскому образцу, возобновил боевые действия. Уже в 1702 году (11 (12) октября) Россия захватила крепость Нотебург (переименована в Шлиссельбург), а весной 1703 года – крепость Ниеншанц в устье Невы. Здесь 16 (27) мая 1703 года началось строительство Санкт-Петербурга, а на острове Котлин разместилась база русского флота – крепость Кроншлот (впоследствии Кронштадт). Выход к Балтийскому морю был пробит. В 1704 году были взяты Нарва, Дерпт, Россия прочно закрепилась в Восточной Прибалтике. На предложение заключить мир Пётр I получил отказ.
Во время боевых действий на территории Речи Посполитой 11 июля 1705 года Пётр присутствовал на вечерни в Василианском монастыре в Полоцке. После того, как один из василиан назвал притеснявшего православное население Иосафата Кунцевича священно мучеником, царь приказал схватить монахов. Василиане пытались оказать сопротивление и четверо из них были зарублены. На следующий день Пётр велел повесить монаха, отличавшегося проповедями, направленными против русских.
Заручившись поддержкой малороссийского гетмана Ивана Мазепы, Карл двинул войска на юг из продовольственных соображений и с намерением усилить армию сторонниками Мазепы. 28 сентября 1708 года у деревни Лесной шведский корпус Левенгаупта, шедший на соединение с армией Карла XII из Лифляндии, был разбит русской армией под командованием Меньшикова. Шведская армия лишилась подкрепления и обоза с военными припасами. Позднее Пётр отмечал годовщину этой битвы как поворотный момент в северной войне. 30 августа (10 сентября) 1721 года между Россией и Швецией был заключен Ништадский мир, завершивший 21-летнюю войну. Россия получила выход в Балтийское море, присоединила территорию Ингрии, часть Карелии, Эстляндию и Лифляндию. Россия стала великой европейской Державой, в ознаменование чего 22 октября (2 ноября) 1721 года Пётр по прошению сенаторов принял титул Отца Отечества, Императора Всероссийского. Петра Великого: Это произошло именно после победы в Северной войне и заключения Ништадского мира в сентябре 1721 года Сенат и Синод решили преподнести Петру титул императора всероссийского со следующей формулировкой: «как обыкновенно от римского сената за знатные дела императоров их такие титулы публично им в дар приношены и на статутах для памяти в вечные роды подписываны.».
22 октября (2 ноября) 1721 года Пётр I принял титул, не просто почётный, но свидетельствующий о новой роли России в международных делах. Пруссия и Голландия немедленно признали новый титул русского царя, Швеция в 1723, Турция в 1739, Англия и Австрия в 1742, Франция и Испания в 1745 и, наконец Польша в 1764 году.
Движение России на восток при Петре I не прекращалось. В 1716 году экспедиция Бухгольца на месте слияния Иртыша и Оми основала Омск, выше по течению Иртыша: Усть-Каменогорск, Семипалатинск и другие крепости. В 1716 -17 годах в Среднюю Азию был отправлен отряд Бековича-Черкасского с целью склонить хивинского хана к подданству и разведать путь в Индию. Однако русский отряд был уничтожен ханом. В правление Петра I была присоединена к России Камчатка. Пётр запланировал экспедицию через Тихий Океан в Америку (собираясь основать там русские поселения, но осуществить задуманное не успел).