以要塞司令阿列克谢·斯捷潘诺维奇·克林为首的被困部队临危不惧。早在1709年1月，克林上校和其他一些乌克兰要塞司令收到过彼得的一项命令：“一旦敌人进攻，务必坚守至最后一兵一卒，不得后退。设若指挥官阵亡，左右军官应立刻接替，继续指挥，前仆后继，血战到底。”
远离前线的彼得此刻获悉了波尔塔瓦被围攻的消息。但他很快识破了查理十二进攻的战略意图。沙皇向缅希科夫指出，该镇十分险要。他提出两种解围方案。或是声东击西，佯攻奥波什尼亚，以便将查理的注意力从波尔塔瓦引开；或是在瑞典人对岸的沃尔克斯河畔固守，随时给被困部队补充军需品、生力军、武器和弹药。“至于一切其它情况有赖见机行事，”沙皇最后写道。
5月 7日缅希科夫直逼奥波什尼亚，以此迫使查理前往驰援解围。声东击西的战术大奏奇效，俄国军队得以有条不紊地迅速撤到沃尔克斯拉河对岸。 5月14日夜里，有九百人组成的小分队潜入被围困的波尔塔瓦。他们要给要塞驻军补充弹药。进城的士兵，“为了泅渡方便，不仅没穿衣服，连长裤也脱掉了。”
6月 4日，彼得亲临波尔塔瓦。瑞典军队的全部人马集结在那里，俄国军队也往该处进发。彼得当机立断，决定向瑞典人发起总攻。
实际上，围困波尔塔瓦的瑞典军队自己也被反包围了。
作为统帅的彼得，其卓越贡献就在于为总攻选择了非常恰当的时机。敌人长途跋涉，精疲力竭，加之军事上的失利，当初他们侵境那股锐气，早已挫了三分。与此情况相反、俄国军队有后备力量源源补充，作战技术又较敌方先进，故反而愈战愈强。
但是，搭救处境艰难的波尔塔瓦的守城将士却是燃眉之急。沙皇当即用球型炮弹给克林发去一道命令：当俄国军队冲进包围圈时，他应立即杀出城池接应，出击时间订于6月12日，但由于连日来倾盆大雨，沃尔克斯拉河水暴涨，难以横渡，突围计划未能实现。
6月20日，俄国军队终于渡过沃尔克斯拉河。查理十二这才明白，沙皇打算在波尔塔瓦城外决一死战， 6月21日和22日瑞典军队倾其全力，企图攻占波尔塔瓦，但要塞守军没有让他们得逞。 6月21日凌晨，他们在斯巴斯克教堂广场宣誓：决心同瑞典人决一死战。
6月20日，俄国兵营里开始紧张的准备工作：战士们斧砍鍬挖，急急加固工事。彼得象在指挥林村战役的那样，物色到一个安全的隐蔽地。俄军两翼隐匿在密林当中，后方是陡峭的沃尔克斯拉河岸，河面上已架好了桥。俄军阵前是一片开阔地带。彼得正等待着瑞典人从那里发动进攻。他命令建造六个多棱地堡，地堡之间要拉开距离。在它们前面又垂直地增建四个多棱地堡，其中只有两个可用于进攻。六个多棱地堡的意义在于缓冲、削弱瑞典人的进攻火力。四个交叉垂直的多棱地堡的作用是截击敌军的战斗队列。
6月25日，彼得视察部队，同天召开军事会议，制订战斗部署。彼得亲自担任第一师的指挥。缅希科夫和布留斯分别担任骑兵和炮兵指挥。
6月26日，彼得处理了一连串的麻烦事。这天，沙皇获悉，谢苗诺夫团的一个士兵叛逃投敌。沙皇担心的是，叛徒势必把俄方某些防守薄弱的环节泄露。彼得当即下令把久经考验、能征善战的诺夫戈罗德团的士兵调来充实这个团。
战役的最后准备工作正在进行。彼得身着墨绿色镶红袖口的呢料近卫军军官服，军官肩带迎凤摆动，他囚处走动，一会儿出现在龙骑兵团，或是来到在构筑多棱地堡的步兵当中，再不就是在炮兵团。他给近卫兵团的军官作了如下讲话：
“众所周知，瑞典国王倨傲而且想入非非，他竟然已给自己的军队在莫斯科分配好了住宅；任命手下将军施帕尔为莫斯科总督，要将我大好河山肢解分割为小公国，妄图以异教邪说毁我国家。对此奇耻大辱我们焉能不报？”沙皇还痛斥了临阵脱逃的可耻行为。
戈利岑中将代表将领们致词。他回顾林村战役，说道：
“皇帝陛下看到了我们所付出的代价，也看到臣下的一片忠心。当时我们冒着枪林弹雨，出生入死，但我寸土不让；敌人四次进攻，我们打退了四次，现在这个军队的勇猛忠诚不改当年。”
6月26日这天，查理十二当终生铭记。这天，他在当日走了致命的一步：袭击俄国兵营。在此数天之前他得悉，斯但尼斯拉夫·列辛斯基和将军克拉桑无法从波兰前来波尔塔瓦，因为他们必须打退俄国将军戈尔茨的屡屡进犯。另一个消息来自君士坦丁堡，土耳其政府通知说，土方无意介人瑞典和俄国双方之间的冲突。查理十二当下明白，福无双至，祸不单行。
6月26日，瑞典国王也发表了讲话。
但查理的讲话与彼得的讲话可说大异其趣。彼得号召人们奋起抗敌，强调守土匹夫有责。而查理对手下的侵略军将士以华宴美酒、莫斯科沙皇的帐篷相诱。“俄国沙皇为我们准备了许多美味佳肴。”他说道。
6月27日凌晨 3点，天麻麻亮时，瑞军开始袭营。在寂静的夜里，只听见千万个士兵的脚步声和马蹄嘚嘚声。瑞典人决心孤注一掷。走近多棱堡的时候，敌人开始冲锋。俄国军队早有准备：缅希科夫一直在注视瑞军的动静。他准备截击查理的骑兵，这样俄国步兵就可前去迎战敌人。瑞典军队很快占领了两个尚未建好的多梭堡，并闯入营垒。瑞典骑兵是从步兵纵队之间冲进去的。但瑞典人想扩大战果的企图未能得逞，他们处在俄军炮火的致命的包围圈内，不得不仓皇撤出。
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