Тем временем саксонцы сняли осаду Риги и отступили в Курляндию. Август II Сильный написал Петру:
Уход саксонцев позволил Карлу XII перебросить часть своих войск по морю в Пернов (ныне Пярну). Высадившись там, он направился к осаждаемой русскими войсками Нарве. По слухам, у Карла было от 30 000 до 32 000 человек.
Петр I вместе с генерал-фельдмаршалом Ф. А. Головиным в ночь на 18 ноября покинул армию и отправился в Новгород, поручив командование завербованному у Леопольда I французскому герцогу де Круа.
Получается, что царь Петр решил оставить армию в момент, когда все уже знали о приближении Карла XII, и битва с ним была неизбежна. Что же побудило царя к такому поступку? В «Гистории Свейской войны», сочиненной по его воле и во многих местах собственноручно им исправленной, сказано:
Барон Галларт прибавлял, что Петр спешил в Москву для приема турецкого посланника.
Но есть и другие мнения. Например, что царь Петр решил «удалиться от могущей встретиться опасности».
Герцог де Круа долго отказывался оставаться главнокомандующим, но потом все же уступил воле царя и попросил дать ему подробную инструкцию. Петр собственноручно написал ее и в немецком переводе за своей подписью вручил герцогу.
Царь Петр надеялся на опытность герцога, но едва он уехал, в русском лагере все мгновенно расстроилось. Никто не слушал герцога де Круа.
В русском лагере думали, что шведов было более 30 000 человек. На самом же деле, у Карла накануне битвы было не более 8430 человек с 37 орудиями, в том числе пехоты 5300 человек и конницы 3130 человек. В армии было много больных от трудности быстрого похода в глубокую осень, территория была опустошена, и войско останавливалось на ночлег под открытым небом. Нередко шли проливные осенние дожди, а продовольствия было недостаточно.
Тем не менее, 19 (30) ноября 1700 года войско Карла XII нанесло русским поражение в сражении под Нарвой. Герцог де Круа со своим штабом, состоявшим в основном из иностранцев, еще до решающего момента сражения сдался.
Сражение под Нарвой многократно описано историками. Городская крепость охранялась старым и храбрым полковником Хеннингом Рудольфом Горном, у которого было всего 1300 пехотинцев, 200 кавалеристов и 400 вооруженных жителей, но он отказался сдать город. С 20 октября русские начали обстреливать Нарву из 80 пушек. Стреляли две недели, но Горн и не думал уступать.
Ужасная осенняя погода развела грязь и пресекла пути сообщения. Русское войско во всем терпело недостаток и роптало. 7 ноября повели приступ Ивангорода, но его отбили. А потом, под прикрытием снежной пурги, шведы вплотную подошли к русским позициям и резкими ударами прорвали их в нескольких местах. Герцог де Круа и многие иностранные офицеры сдались шведам. Центр русских войск начал беспорядочный отход к своему правому флангу, где находился единственный понтонный мост, но тот не выдержал скопления людей и рухнул. Многие утонули, и сражение завершилось капитуляцией русских войск ввиду их полного разгрома.
Карл и его генералы понимали, что силы русских войск далеко не исчерпаны, и согласились на почетную капитуляцию. Согласно ее условиям всем русским генералам офицерам и войску с шестью полевыми пушками разрешалось свободно отступить; с обеих сторон обменять пленных и похоронить тела.
Потери убитыми, утонувшими, а также умершими от голода и холода составили около 7 000 человек (против 677 убитых и 1247 раненых у шведов). Была потеряна вся артиллерия, в плен в нарушение условий капитуляции попали 700 человек, в том числе десять генералов и столько же полковников.
Переговоры о капитуляции вели князь Я. Ф. Долгоруков, А. М. Головин, И. И. Бутурлин и генерал-фельдцейхмейстер Александр Имеретинский. Капитулировала и дивизия генерала Адама Вейде. Князь Долгоруков договорился о свободном проходе войск на правый берег с оружием и знаменами, но без артиллерии и обоза. Всю ночь с 1 на 2 декабря шведские саперы совместно с русскими наводили переправы. Утром 2 декабря русские войска покинули шведский берег реки Наровы.
Вклад Хеннинга Рудольфа Горна был по достоинству оценен шведским королем: сразу после битвы он получил чин генерал-майора, 21 декабря 1700 года ему были подчинены все военные крепости в Ингерманландии, а в 1701 году он получил титул барона.