Между тем Дания и Август начали военные действия; датские войска заняли герцогство Голштейн-Готторпское, союзное Швеции; Август осаждал Ригу. На шведском престоле был молодой, 18-летний государь Карл XII, проявлявший признаки государственных способностей в меньшей степени, чем охоту к шумным забавам. Для врагов Швеции одна личность Карла представлялась уже хорошим шансом успеха. Но, узнав о нападении врагов, Карл неожиданно оставил свои мальчишества, тайно приехал к войску, переправился с ними к Копенгагену и заставил датчан заключить мир (в Травендале 8 августа 1700 г.). Дания отпала от коалиции. Август не имел успеха под Ригой. В эту-то минуту Петр начал войну, не зная еще о Травендальском мире и о том огромном впечатлении, какое произвели военные способности Карла.
18 августа Петр узнал о мире с Турцией, 19-го объявил войну и 22-го выступил с войсками из Москвы к Нарве. Петр решил трудиться для себя, а не помогать войсками союзникам. Нарва была осаждена сильным русским войском (35—40 тыс. человек). Но Петр начал кампанию под осень, погода мешала военным операциям, бездорожье оставляло войско без хлеба и фуража. Недостатки военной организации давали себя знать: хотя войска, стоявшие под Нарвой, были регулярные, нового строя, но сам Петр сознавался, что они были "не обучены", т. е. плохи. Кроме того, офицерами в большинстве были иностранцы, не любимые солдатами, плохо знавшие русский язык, а над всей армией не было одной власти. Петр поручил команду русскому генералу Головину и рекомендованному немцами французу, герцогу де Кроа. И сам Петр не отказался от распоряжений военными действиями. Было, таким образом, многоначалие. При всех этих условиях среди русских войск естественно возникала боязнь столкновения с армией Карла, покрытой лаврами недавних побед в Дании.
А Карл после разгрома Дании шел на Петра. Русские под Нарвой узнали о приближении шведов уже тогда, когда Карл был всего в 20—25 верстах. Петр немедленно уехал из войска, оставив команду де Кроа. Зная мужество и личную отвагу Петра, мы не можем объяснить его отъезд малодушием; вернее думать, что Петр считал дело под Нарвой проигранным и уехал готовить государство к обороне от шведского нашествия. 20 ноября 1700 г. Карл действительно разбил русскую армию, отнял артиллерию и захватил генералов. Петр спешил укрепить Новгород и Псков, поручил Репнину собрать остатки возвратившейся разбитой армии и ждал Карла на границах Московского государства.
Но ошибка Карла спасла Петра от дальнейших бед. Карл не воспользовался своей победой и не пошел на Москву. Часть голосов в его военном совете высказалась за поход в Россию, но Карл близоруко смотрел на силы Петра, считал его слабым врагом — и отправился на Августа. Петр мог вздохнуть свободней. Но положение все-таки было тяжелое: армия была расстроена, артиллерии не было, поражение дурно повлияло на настроение духа внутри государства и уничтожило престиж России за границей. Рядом с дифирамбами Карлу западноевропейская публицистика разразилась градом насмешек над слабостью Москвы и Петра. Была пущена в обращение медаль, изображавшая с одной стороны осаду Нарвы и Петра, греющегося при пушечном огне (подпись взята из Библии: "бе же Петр стоя и греяся"), а с другой стороны — Петра и русских, позорно бегущих от Нарвы (подпись оттуда же: "исшед вон плакася горько").
Под свежим впечатлением поражения у Петра мелькнула мысль искать мира, но Петр не нашел ни у кого за границей охоты помочь России и взять на себя посредничество между ней и Швецией. Однако и сам Петр недолго останавливался на мысли о прекращении войны. Он деятельно готовил новые войска; рекрутские наборы (со всех сословий) дали ему много людей, страшная энергия помогла ему устроить из них армию. Обруселому немцу Виниусу Петр поручил изготовление новых пушек. Медь, которою Московское государство было далеко не богато, доставали, между прочим, из церковных колоколов, взятых в казну. В течение года Виниус успел изготовить 300 пушек. К лету 1701 г. у Петра, таким образом, снова явились средства продолжить войну.
В феврале 1701 г. Петр близ Динабурга в местечке Биржах виделся с королем Августом, на которого теперь обратился Карл XII. Петр и Август условились продолжать борьбу со Швецией, причем Петр обязался помогать Августу войсками, отдавал ему в случае успеха Эстляндию и Лифляндию, но оставлял себе свободу действий в Ингрии и Карелии и в завоевании этих областей полагал свою конечную цель. Летом 1701 г. начались военные действия у Финского залива и в Польше. В продолжение нескольких лет Петр делил свои силы надвое: на севере он действовал за себя, в Польше помогал Августу.