在俄国军队持续进攻下，瑞军全面撤退，随后变为溃逃。至此，瑞军死9234人，被俘2874余人，损失了32门火炮和全部辎重;俄军亡1345人，伤3290人。
战役结束以后，彼得在庆祝这一历史性胜利的午宴上，举杯高呼：“为我们的教师瑞典人干杯!”
6月28日早晨 6时，彼得为在战斗中阵亡的俄罗斯军人举行了隆重的安葬仪式。在他们的陵墓前，彼得亲手树立起了一个十字架，上面写着：“英勇献身的将士永垂不朽，上帝赐予你们再生。1709年6月27日。”
被击溃的瑞典军队迅速向第聂伯河方向撤退。如果俄罗斯人能够及时进行追击，那么未必能有一个瑞典士兵能够逃出俄罗斯的境地。但是，彼得在取得如此重大的胜利后，沉湎于胜利的喜悦中，只是到了晚上才去追赶溃逃的瑞典军队。可是，为时已晚，此时的瑞典军队已经摆脱了追击。6月29日，瑞典军队到达了第聂伯河岸边的佩列沃洛奇纳。从6月29日至30日夜间，只有查理十二和马泽帕带领一支不足2000人的部队渡过了第聂伯河，而其他瑞典军队没有找到渡河的船只，因为原有的船只已被雅科夫列夫上校指挥的俄罗斯部队在攻打扎波罗热营地时销毁了。在退逃之前，查理十二任命李文豪普特将军指挥剩余的瑞典部队徒步向土耳其境内撤退。6月30日清晨，缅希科夫指挥的俄罗斯骑兵队(9000人)到达了佩列沃洛奇纳。李文豪普特将军提议举行谈判，试图以此拖延时间，寻找对策，但缅希科夫代表沙皇彼得要求瑞典人马上投降。这时，士气低落的瑞典士兵开始成批地转向俄罗斯军队，没等进行可能的交战就成为俘虏。李文豪普特意识到他的军队无力进行抵抗，只好缴械投降。于是，出现了12000人(也有17000人、15000人等说法)向9000人投降的一幕。
彼得听到了这个投降的消息，遂写信给阿普拉克辛海军上将说：“现在，凭着上帝的保佑，圣彼得堡的最后一块奠基石也都已经安放好了。”于是，他派遣了一部分兵力到里加，另外一部分往波兰与斯坦尼斯拉夫作战，而自己则到达基辅。他在圣索菲亚教堂中举行了一次庄严的谢恩礼拜。主教普罗柯波维齐致辞说：“当我们的邻国听到了这个消息，他们就会说，瑞典陆军和瑞典的权力，所冒险侵入的不是一个外国，而是一个巨大的海洋!他们投下去就失踪，好像铅块为水所吞噬一样。”无独有偶，恩格斯也指出过，“ 查理十二世作了入侵俄国的尝试;因此他葬送了瑞典，并清楚地向大家表明了俄国是不可攻克的。”这些可以算做预言吧，因为未来的进军俄罗斯者(如拿破仑和希特勒)都品尝到了这个滋味。
由克罗波托夫队长和沃尔康斯基将军率领的俄罗斯4个骑兵团被派去抓获查理十二和马泽帕。他们在仔细地搜索草原之后，把撤退的瑞典军队逼退到南布格河岸边。来不及渡河的瑞典军队有900人，经过短暂的战斗之后全部被俘。但是，此时查理十二和马泽帕已经顺利地到达了南布格河右岸。他们躲过了俄罗斯军队的追击，隐藏到土耳其城堡奥恰科夫内。这样，俄罗斯人在北方战争中的彻底胜利被推迟了一段时间。然而，在俄罗斯进军时，瑞典损失了一些能攻善战的精锐部队，此后瑞典再也没有出现过这样的精锐部队。
“两个军事天才决战波尔塔瓦”的消息飞速传遍了欧洲。为势所趋，丹麦、萨克森恢复了同俄国的结盟，奥古斯特二世重登波兰王位，普鲁士和汉诺威也加入了北方同盟。这样一来，北方同盟由于俄军的胜利而恢复，甚至扩大了。
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