После возвращения из Великого посольства царь начал готовиться к войне со Швецией за выход к Балтийскому морю. В 1699 году был создан Северный союз против шведского короля Карла XII, в который помимо России вошли Дания, Саксония и Речь Посполитая во главе с саксонским курфюрстом и польским королем Августом II. Движущей силой союза было стремление Августа II отобрать у Швеции Лифляндию, за помощь он обещал России возврат земель, прежде принадлежавших русским (Ингерманландии и Карелии).
  Для вступления в войну России необходимо было заключить мир с Османской империей. После достижения перемирия с турецким султаном сроком на 30 лет Россия 19 августа 1700 года объявила войну Швеции под предлогом отмщения за обиду, оказанную царю Петру в Риге.
   План Карла XII заключался в том, чтобы поодиночке разбить противников с помощью ряда быстрых десантных операций. В скором времени после бомбардировки Копенгагена Дания 8 августа 1700 года вышла из войны, ещё до вступления в неё России. Неудачно закончились попытки Августа II захватить Ригу.
   Поражением русской армии закончилась попытка захватить крепость Нарву. 30 ноября 1700 (по нов. стилю) Карл XII с 8500 солдатами атаковал лагерь русских войск и полностью разгромил 35-тысячную неокрепшую русскую армию. Сам Пётр I уехал от войск в Новгород за 2 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 (22) октября) Россия захватила крепость Нотебург (переименована в Шлиссельбург), а весной 1703 года — крепость Ниеншанц в устье Невы. Здесь 16 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.
   После низложения Августа II в 1706 и замены его польским королём Станиславом Лещинским Карл XII начал роковой для него поход на Россию. Захватив Минск и Могилёв, король не решился идти на Смоленск. Заручившись поддержкой украинского 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 Меншикова. Шведская армия лишилась подкрепления и обоза с военными припасами. Позднее Пётр отмечал годовщину этой битвы как поворотный момент в Северной войне.
В Полтавской битве 27 июня 1709 года армия Карла XII была наголову разгромлена, шведский король с горсткой солдат бежал в турецкие владения.
В 1710 году в войну вмешалась Турция. После поражения в Прутском походе 1711 года Россия вернула Азов Турции и разрушила Таганрог, но за счёт этого удалось заключить очередное перемирие с турками.
   Пётр снова сосредоточился на войне с шведами, в 1713 году шведы потерпели поражение в Померании и лишились всех владений в континентальной Европе. Однако благодаря господству Швеции на море Северная война затянулась. Балтийский флот только создавался Россией, но сумел одержать первую победу в Гангутском сражении летом 1714 года. В 1716 Пётр возглавил объединённый флот из России, Англии, Дании и Голландии, но из-за разногласий в стане союзников не удалось организовать нападение на Швецию.
   По мере укрепления Балтийского флота России Швеция почувствовала опасность вторжения на свои земли. В 1718 году начались мирные переговоры, прерванные внезапной гибелью Карла XII. Шведская королева Ульрика Элеонора возобновила войну, надеясь на помощь Англии. Разорительные десанты русских в 1720 на шведское побережье подтолкнули Швецию к возобновлению переговоров. 30 августа (10 сентября) 1721 года[5] между Россией и Швецией был заключен Ништадтский 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:
... помыслили мы, с прикладу древних, особливо ж римского и греческого народов, дерзновение восприять, в день торжества и объявления заключенного оными в. в. трудами всей России толь славного и благополучного мира, по прочитании трактата оного в церкви, по нашем всеподданнейшем благодарении за исхадатайствование оного мира, принесть свое прошение к вам публично, дабы изволил принять от нас, яко от верных своих подданных, во благодарение титул Отца Отечествия, Императора Всероссийского, Петра Великого, как обыкновенно от Римского Сената за знатные дела императоров их такие титулы публично им в дар приношены и на статуах для памяти в вечные роды подписаны.
— Прошение сенаторов царю Петру I. 22 октября 1721 года