Карл XII, принимая во внимание международную политическую ситуацию, пошел на Украину. Из донесения российского посла Л.Л. Матвеева из Гааги: «Во-первых, потому, что эта страна многолюдная и обильная и никаких регулярных фортеций с сильными гарнизонами не имеет; во-вторых, швед надеется в вольном казацком народе собрать много людей, которые проводят его прямыми и безопасными дорогами к Москве…» Русскому командованию стало известно, что шведы собираются зазимовать на Украине. Союзники уверили Карла XII в том, что местное население богато продовольствием. 25 сентября 1708 года Головкин в письме к Ивану Алексеевичу Ржевскому просил срочно перемолоть рожь для солдат на сухари. Белый хлеб те ели, но болели животы с непривычки.
28 сентября победа русской армии при Лесном резко переменила планы союзников шведов. Русский резидент при коронных и литовских гетманах А.И. Дашков на французском и польском языках разослал сообщения «до волох, до турок и за море». Австрийский дипломат из Стамбула писал, что «поражение шведов на московской границе» подняло престиж России в Турции. Турки решили временно воздержаться от прямого военного участия и не посылать крымских татар в помощь к шведам на украинскую территорию. День победы при Лесном стал одним из первых регулярных светских праздников, внесенных в календарь «викториальных дат» Российской империи.
Большую роль в сопротивлении сыграло местное население. Белорусы защищали свою землю, врага «убивали по той причине, что шведы по пути на Украину местный люд мучили из-за провианта». Тарле дает нам точное понимание ситуации: «..в Саксонии, протестантской стране, размещенные компактно, в двух-трех городах, под наблюдением короля (Карла) и генералов, шведы вели себя сравнительно более сдержанно, да и то далеко не все полки и не всегда, но в Польше — уже значительно хуже, а в Белоруссии и Украине еще более разнузданно и нетерпимо. Этому способствовало и то основанное на легкомыслии, грубости чувства, эгоистической бессердечности, невежестве и самонадеянности пренебрежение к восточному врагу, которое навсегда усвоил себе Карл XII и которое, распространяясь от королевского штаба после первой Нарвы, проникло в низы шведской армии. Солдаты Карла XII свирепствовали на Украине так, как никогда и не подумали бы делать, например, в Саксонии или в Дании, хотя и вообще былых "благочестивых евангелических воинов" Густава Адольфа солдаты Карла XII уже мало напоминали. Для шведов и их короля оказалось гораздо проще и короче связать русских пленников веревками, положив одного на другого по трое, и поразить эту живую груду тел штыком или саблей. В свободное время от военных трудов и от обязательных двух в день лютеранских богослужений набожный король Карл охотно развлекался на походе именно этим способом ускоренного разрешения вопроса о русских пленниках».
Многие солдаты, прикрытые только рогожками, потому что белорусские партизаны отнимали оружие и мундиры, сдавались в плен. 3 октября Петр I писал, что шведы выходят из лесов и добровольно сдаются. Шведские сухопутные силы вынуждены были принять тактику уклонения от генеральных сражений с русскими войсками во второй половине Северной войны, то есть в 1710–1721 годы.
Москве уже не грозила осада. Поэтому пехота и драгуны, которым необходимо было подлечиться и отдохнуть, по осенней грязи отошли к Смоленску. В некоторых ротах не осталось офицеров, только прапорщики. В Семеновском полку целыми и невредимыми дошли 422 человека. Решили пополнить полки лошадьми, фузеями, пистолетами, палашами, багинетами, кафтанами, епанчами. 8 октября смоленская артиллерия дала салют, приветствуя победителей. Шествие по смоленским улицам Петр I возглавлял лично. Три недели в октябре царь, переживший нервное истощение, находился в предместье Смоленска, в деревянном доме. Здесь он занимался «исправлением полков по баталии», пополнением рекрутами, лошадьми. Были назначены новые оклады офицерам и рядовым. 20 октября полки двинулись в Украину.
С. Лещинский, выступая на стороне шведского короля, набрал с Волыни 10-тысячное войско. Великий литовский гетман Я.К. Сапега, получив депешу о победе русских, не решился объединиться с Лещинским и ушел на зимние квартиры в Гродно, Сандомирская конфедерация, союзная России, усилила свои позиции. Сторонники Лещинского начали покидать его. Дашков сообщал, что в Польше «ис той виктории зело были удовольствованы, а иные не доверивают совершенно, что так побежден неприятель, которого разумели весьма непобедима бытии». Стародубский полковник И.И. Скоропадский, на которого рассчитывали шведы, не стал закрывать русским полкам Стародуб, Мглин, Новгород-Северский. Как писал современник, будущий гетман Малороссии «в глубине души… был настроен в пользу шведов и таковым оставался до смерти. Но когда до него дошли известия о сражении с графом Левенгауптом при Лесной, из которых Скоропадский сделал соответствующие выводы, услышал, как плохо окончилось дело с генералом Любекером (русские солдаты сумели отразить 11-тысячную экспедицию), и узнал особенно о бедственном состоянии армии шведского короля., от голода и мучительных и спешных ежедневных маршей, то счел, что шведское дело может принять дурной оборот… и принял во все эти места русские войска».
Иначе обстояло дело с украинским гетманом. Переправившись 25 октября 1708 года через реку Десну, Мазепа бежал в шведский лагерь. Юсуф-паше он направил послание, объясняющее его бегство с русской службы. 2 ноября по приказу Петра I была ликвидирована военная база Мазепы в Батурине. Мазепу отрешили от гетманства. Акт проходил как театрализованное действие. 5 ноября в Глухове собрался на площади народ. Вынесли на помост куклу, изображающую гетмана в полный рост. Фигура была одета в костюм, на боку — сабля в ножнах, через правое плечо — голубая андреевская лента. На левой стороне груди сверкал орден Андрея Первозванного. На помост взошли андреевские кавалеры Головкин и Меншиков. Они разорвали кавалерский диплом Мазепы и сорвали с куклы ленту и орденскую звезду. После этого было зачитано послание Петра Алексеевича. Куклу сбросили с помоста и потащили к виселице. Палач разорвал герб Мазепы, переломил саблю и повесил игрушечного «Мазепу». 12 ноября царь предал Мазепу анафеме.
Петр I решил привлечь украинское население для борьбы против иноземцев. 9 ноября 1708 года от его имени составили грамоту, адресованную украинскому народу: «Жители б сами особами своими, с женами и с детьми и с пожитками скрывались, и неприятелю отнюдь никаких живностей и хлеба и никакого харча не оставляли… кто из малороссийского народа, из неприятельского войска возьмет в полон генерала, тому за оного дать 2000 рублей, за полковника 1000 рублей, а за иных офицеров за каждого по расчету, против чина их, а за рядовых рейтар, солдат и драгун по 5 рублей, а за убиение каждого неприятеля, по свидетельству явному, по 3 рубля из казны Нашей давать укажем».
В 1708 году в Москву тайно прибыл X. Тутринович. От лица сербских офицеров, собравшихся в монастыре Крушедол в Среме по случаю выборов нового сербского патриарха после смерти Арсение Чарноевича, он привез русскому царю грамоты. Сообщалось, что преемником Арсение стал утвержденный австрийским императором Леопольдом I митрополит Исайя Джакович. В грамотах сербская знать указывала на ущемление прав диаспоры. Положение сербского народа в габсбургском государстве определялось нормативными актами — привилегиями. Желая привлечь сербов и заселить опустошенные войной пограничные с Турцией области австрийский монарх Леопольд I в 1690–1695 годы даровал православным поселенцам гражданские свободы, согласно которым они находились под защитой императора и пользовались автономией. Митрополит был признан главой православного населения. Привилегии являлись основой сербского самоуправления. Однако они были предметом постоянной борьбы между сербами, стремившимися упрочить свое положение в государстве, и Габсбургами, проводившими политику ограничения привилегий православных исключительно церковными делами. Австрийские монархи в обстановке антигабсбургского венгерского восстания под руководством Ракоци и войн с Турцией были вынуждены подтверждать права сербов. Сербы, надеясь расширить сферу политического влияния, обещали русскому военному командованию поддержку на стороне России.
В 1708 году территорию Российского государства царь разделил на восемь губерний. Между уездами, которые ранее подчинялись центральной власти, были образованы промежуточные звенья — губернии и провинции. Во главе каждой из восьми губерний назначался губернатор, имевший права главнокомандующего войск, расположенных в пределах губернии. Также губернатор выполнял административные и судебные функции. Губернаторам, которым «прилучится быть при армии», разослали «Табели за подписанием его Государственной руки». Бывшего главу Белгородского разряда (1706) дипломата и полководца князя Д.М. Голицына царь назначил первым киевским губернатором, который уже год как служил воеводой на киевской земле. Генерал-адмирал, руководитель Адмиралтейского приказа Ф.М. Апраксин управлял Азовской губернией. Совмещение двух должностей позволило ему заняться укреплением устья Дона, строительством оборонных сооружений Азова и Таганрога, новых верфей в Таврове и Новопавловске.
В декабре 1708 года русское командование получило от Мазепы, желавшего заманить русских в ловушку, сведения о том, что турки укрепляют Бендерскую крепость на правом берегу Днестра и туда отправлены 200 пушек. Толстой успокоил царя: из 500 отправленных янычар 300 разбежались, а пушек установлено ровно столько, сколько необходимо для обороны. Русское командование в декабре к польской границе отправило отряд Г. Гольца, в Литву к гетману А. Синявскому для усиления — 7 драгунских полков.
Весной 1709 года Карл XII, продвигаясь на Москву через Украину, решил запять Полтаву. Местное население оказало ему сопротивление. Гарнизон города насчитывал всего 4 тысячи солдат и офицеров, 29 орудий, 2 тысячи 600 вооруженных жителей. Под командованием полковника А.С. Келина гарнизон охранял город на правом берегу реки Ворсклы. Для украинского населения война приняла национально-освободительный характер. Сами жители, не доверяя ни русским, ни шведам, ни запорожцам, организовали круглосуточную охрану. На помощь полтавчанам со стороны России пришло подкрепление в 1 тысячу 200 человек. У русской армии были пушки и порох.