В конце концов, Карл XII, не дождавшись Левенгаупта, решил повернуть на Украину, рассчитывая пополнить там запасы продовольствия и фуража, вовлечь в войну на своей стороне Турцию, Крымское ханство и Польшу, а также использовать помощь предателя украинского народа гетмана Мазепы. По тайному договору со шведами Мазепа должен был предоставить им провиант и обеспечить массовый переход казаков (30–50 тыс. человек) на сторону Карла XII. Согласно договору между шведским королем и Мазепой Левобережная Украина и Смоленск отходили к Польше, а сам гетман становился удельным властителем Витебского и Полоцкого воеводства с титулом князя. Хотя у Мазепы первоначально были другие планы. Он мечтал встать во главе единой Украинской державы, созданной как государство европейского типа с сохранением системы казачьего управления. В то время Украина состояла как бы из пяти частей: Левобережная Украина, или Гетманщина (именно эта часть Украины согласно Переяславскому договору входила на правах автономии в состав России); Правобережная Украина, оставшаяся в составе Польши; Запорожье, фактически независимая территория, контролируемая запорожским казачеством; Слободская Украина, входящая в состав России, и Ханская Украина, контролируемая крымскими татарами и турками. Но, как видно, присутствие на Украине шведских войск внесло заметные коррективы в честолюбивые планы гетмана Мазепы.

Карл XII рассчитывал также поднять против Москвы юг России, привлечь под свои знамена донское казачество, которое выступило против Петра под руководством атамана Кондратия Булавина. Но в этот критический момент войны произошло сражение, имевшее роковые для шведов последствия и оказавшее серьезное влияние на весь дальнейший ход кампании.

Речь идет о битве у деревни Лесная, которая произошла 28 сентября (9 октября) 1708 года. Петр I решил ни в коем случае не дать соединиться корпусу Левенгаупта с основной шведской армией. Для этой цели из состава армии Шереметева он выделил «летучий отряд» (корволант) в составе 16 тыс. отборного войска. Петр Алексеевич лично командовал одной из двух колонн корволанта. Под его командованием находились Преображенский и Семеновский полки, батальон Астраханского полка и три драгунских полка. Другой колонной (левой) командовал генерал А.Д. Меншиков. Неприятельский корпус был настигнут русским войсками близ деревни Лесная. Шведскому военачальнику пришлось принимать бой, который начался с атаки русских. Жестокий бой длился 10 часов. Русские атаки сменялись контратаками шведов. Накал сражения оказался столь высоким, что в один из моментов противники повалились от усталости на землю и пару часов отдыхали прямо на поле битвы. Затем сражение возобновилось с новой силой. К этому времени к русским подошло подкрепление (конный отряд генерала Боура). Петр I с приходом свежей драгунской конницы отрезал противнику дорогу на Пропойск и усилил натиск на шведов. Вечером сражение прекратилось из-за начавшихся сумерек и начавшейся вьюги, которая слепила глаза наступавшим русским войскам. Утром следующего дня русские готовились к новому сражению, но Левенгаупт, не надеясь на удачу, принял решение отступить. При этом ему пришлось уничтожить остатки своего огромного обоза (большая часть его стала русской добычей). Его корпус, преследуемый русской кавалерией, сумел добраться до королевского походного лагеря. Общие потери шведов составили 8 тыс. убитыми и около 1 тыс. пленными. Кроме того, в рядах доблестных прежде шведов оказалось немало дезертиров. К Карлу XII Левенгаупт привел лишь 6 тыс. человек без всякого обоза. Урон русских составил 4 тыс. человек. После Лесной армия Карла XII лишилась значительных материальных ресурсов и была отрезана от своих баз в Прибалтике. Это окончательно сорвало планы короля идти на Москву. Битва у Лесной подняла боевой дух российских войск, поскольку это была их первая крупная победа над численно равным регулярным войском шведов. Петр I назвал сражение у Лесной «матерью Полтавской баталии».

Однако радость от поражения шведов под Лесной омрачилась тем, что Мазепа открыто перешел на сторону Карла XII. 24 октября 1708 г. он во главе своего отряда личной гвардии, так называемых сердюков (1,5 тыс. человек), выехал из гетманской столицы Батурина и через два дня был в шведском лагере. Вместе с ним на сторону шведов перешла только часть реестрового казачества Украины. По всей видимости, он имел не более 5 тыс. казаков, решивших вместе со своим гетманом изменить присяге на верность русскому царю. В то время запорожское казачество заняло выжидательную позицию, решив на сложившейся ситуации выторговать для себя определенные свободы. Большинство же казаков и малороссийского народа остались верными русскому царю. С этого момента можно говорить о том, что в канву Северной войны вплелась гражданская война на Украине, полная больших жертв и жестокостей.

Получив известие об измене Мазепы, Петр обратился с манифестом к украинскому народу, он разъяснял, что целью Мазепы являлось «малороссийскую землю поработить по-прежнему под владение польское и церкви божии и святые монастыри отдать в унию». В то же время Петр I приказал русским войскам начать военные действия против очагов измены.

Он отправил отряд под командованием Меншикова к крепости Батурин. Тем самым царь стремился упредить занятие шведской армией этой центральной гетманской резиденции, где находились значительные запасы продовольствия и боеприпасов. 1 ноября 1708 г. отряд Меншикова подошел к Батурину. В крепости находился гарнизон во главе с полковником Чечелом. На предложение открыть ворота он ответил отказом и пытался затянуть дело переговорами. Однако Меншиков, который с часу на час ожидал подхода шведских войск, не поддался на подобную уловку и дал Чечелу возможность поразмыслить лишь до утра. На следующий день, не получив ответа, русские войска пошли на штурм крепости. После двухчасового обстрела и приступа Батурин пал. В его падении оказал помощь один из местных полковых старшин, который указал тайную калитку в крепость. Меншиков приказал уничтожить всех, кто оказывал сопротивление русским войскам, а крепость придать огню. Во время этих событий погибло, по разным оценкам, от 5 до 15 тыс. человек военного и мирного населения Батурина.

Падение Батурина стало новым тяжелым ударом для Карла XII и Мазепы. После Лесной шведская армия именно здесь надеялась восполнить свои запасы продовольствия и боеприпасов, в которых испытывала серьезный недостаток. В то же время шведы поняли, что украинский народ вовсе не склонен встречать их как своих освободителей. Расчеты шведского короля на региональный сепаратизм и раскол восточного славянства не оправдались. Основная масса населения не откликнулась на призыв Карла XII и Мазепы. Понимая, что зиму 1708–1709 года придется провести на Украине, Карл потребовал от Мазепы обеспечения шведской армии продовольствием. Он настаивал на поставке 24 тысяч волов, 40 тысяч свиней, 60 тысяч «осмачек» ржаной и 40 тысяч пшеничной муки. Однако украинское население решительно воспротивилось этим поборам. Тогда шведы стали грабить Украину. В украинские села и города были направлены воинские отряды, которые где силой, где обманом изымали продовольствие у населения, при этом не гнушаясь карательными мерами. В ответ на насилие поднялась против захватчиков партизанская война. Осенью 1708 года Меншикову сообщали, что украинцы «шведам продавать ничего не возят, а по лесам собрася, конпаниями ходят и шведов зело много бьют, в лесах дороги зарубают».

В ноябре 1708 года в городе Глухове собралась казацкая Рада – совет казацких старшин. Рада объявила о низложении Мазепы, его изображение было повешено и имя предано церковному проклятию (анафеме). Кандидатами в гетманы были выдвинуты полковник Стародубского полка старик Иван Скоропадский и молодой черниговский полковник Павел Полуботок. Однако говорили, что Петр не желал избрания Полуботка, сказав, что из него может выйти другой Мазепа. Гетманом был избран Скоропадский.

В конце 1708 года Карл XII расположил свою армию на зимние квартиры в районе городов Ромны – Гадяч – Прилуки – Лохвицы. Вокруг шведской армии полукольцом расположились на зимние квартиры русские войска. Зима 1708–1709 гг. была одной из самых суровых в истории Европы. По свидетельству современников, в ту пору на Украине морозы были столь жестоки, что замерзали на лету птицы. Карл XII попал в крайне затруднительное положение, окруженный русской армией и враждебно настроенным к нему украинским населением. В этой критической ситуации Карл XII принял традиционное для его военной доктрины решение – предпринять активный натиск на противника. Шведский король делает отчаянную попытку перехватить инициативу и вытеснить русских с Украины, чтобы получить контроль над этим краем и силой склонить местное население на свою сторону.