По объявлении войны, Петр двинул свое войско на осаду Нарвы, которым Петру хотелось прежде всего завладеть, чтоб иметь пункт на Балтийском море. Всего войска было у него до 35 000; сам Петр под именем капитана бомбардирской роты Петра Михайлова шел с Преображенским полком. Начальство над войском Петр поручил герцогу фон Круи, приехавшему к нему на службу по рекомендации короля Августа. Петр надеялся на опытность и знания этого иноземца более, чем на способности своих русских. Прибывши под Нарву в конце сентября, царь при пособии саксонского инженера Галларта занялся укреплением русского лагеря и устройством осады. 20-го октября началось бомбардирование, но русские действовали неискусно, а назначение иноземца главнокомандующим возбуждало у них неудовольствие. Верность иноземцев казалась сомнительною, особливо когда один из них, Гуммерт, обласканный Петром, убежал к неприятелю в Нарву, а находясь там, вероятно, недовольный приемом шведского коменданта Нарвы Горна, завел снова тайные сношения с русским царем. 17-го ноября боярин Борис Петрович Шереметев, посланный к Везенбергу, неожиданно вернулся с известием, что шведский король идет отбивать Нарву. Петр в ту же ночь оставил свое войско, надеясь, вероятно, что дела пойдут лучше, когда герцог фон Круи останется полновластным распорядителем и не будет стесняться присутствием царя. Кроме того, царь досадовал, что войска собираются медленно, и думал, как он сам объяснял, побудить остальные полки скорее идти к Нарве, наконец, ему хотелось видеться с Августом и поторопить его к совместному действию против Карла. У Карла было около 8500 войска: силы очевидно неравномерные с русскими. Но укрепленный русский лагерь был растянут с лишком на семь верст, и солдаты, во время нападения, с трудом могли подкреплять друг друга; притом же значительная часть русских сил состояла из новобранцев. Вдобавок, когда Карл сделал нападение, сильный снег бил прямо в лицо русским. Шведы овладели русскими укреплениями, и русские пустились в бегство. Шереметев был из первых. Множество русских потонуло в воде при переправе. Главнокомандующий герцог фон Круи и другие иноземцы побежали в шведское войско и сдались. Только Преображенский и Семеновский полки, да генерал Адам Вейде, немец русской службы, защищались несколько времени. Тогда русские генералы: князь Яков Долгорукий, князь Иван Юрьевич Трубецкой, имеретинский царевич Александр, Автоном Михайлович Головин, оставшись почти без войска, сдались на условиях свободного выхода; но, под предлогом утайки и отправления вперед казны, они были объявлены военнопленными вместе с офицерами, которых число простиралось до 79 человек. Вся артиллерия досталась победителю. Русские гибли тогда не только от неприятельского оружия, но еще и от голода, и холода. Из числа бежавших до 6000 погибло на пути к Новгороду. Карл не понял Петра: он презирал русских, судил о них по нарвским беглецам и не пошел далее войной против России, как некоторые ему советовали, а составил план разделаться со своим главным врагом – Августом.

Петр, получив известие о поражении, не упал духом, а напротив, сознавал, что иначе быть не могло, приписывал несчастье недостатку обучения и порядка в войске и с большей кипучей деятельностью принялся за меры улучшений. В ожидании нападения неприятеля, в близких к границе городах: в Новгороде, Пскове, Псково-Печерском монастыре Петр приказал наскоро делать укрепления, высылал на работу не только солдат и жителей мужского пола, но даже женщин, священников и причетников, так что несколько времени в церквах, кроме соборов, не было богослужения. Приказано к весне набирать новые полки, а думному дьяку Виниусу, который прежде заведовал почтовым делом, приготовить новые орудия и при этом отбирать у церквей и монастырей колокола для переливки на пушки. Обычная русская лень много мешала скорому производству работы, зато Петр жестоко наказывал всякое неповиновение и уклонение от его воли: приказывал бить кнутом за неявку к работам, вешать взяточников и грозил смертью бурмистрам за медленное исполнение требований Виниуса – надзирателя артиллерии. При таких мерах, в течение года после нарвской битвы, царь имел уже более трехсот новых приготовленных орудий.