在俄國軍隊持續進攻下，瑞軍全面撤退，隨後變爲潰逃。至此，瑞軍死9234人，被俘2874餘人，損失了32門火炮和全部輜重;俄軍亡1345人，傷3290人。
戰役結束以後，彼得在慶祝這一歷史性勝利的午宴上，舉杯高呼：“爲我們的教師瑞典人乾杯!”
6月28日早晨 6時，彼得爲在戰鬥中陣亡的俄羅斯軍人舉行了隆重的安葬儀式。在他們的陵墓前，彼得親手樹立起了一個十字架，上面寫着：“英勇獻身的將士永垂不朽，上帝賜予你們再生。1709年6月27日。”
被擊潰的瑞典軍隊迅速向第聶伯河方向撤退。如果俄羅斯人能夠及時進行追擊，那麼未必能有一個瑞典士兵能夠逃出俄羅斯的境地。但是，彼得在取得如此重大的勝利後，沉湎於勝利的喜悅中，只是到了晚上纔去追趕潰逃的瑞典軍隊。可是，爲時已晚，此時的瑞典軍隊已經擺脫了追擊。6月29日，瑞典軍隊到達了第聶伯河岸邊的佩列沃洛奇納。從6月29日至30日夜間，只有查理十二和馬澤帕帶領一支不足2000人的部隊渡過了第聶伯河，而其他瑞典軍隊沒有找到渡河的船隻，因爲原有的船隻已被雅科夫列夫上校指揮的俄羅斯部隊在攻打扎波羅熱營地時銷燬了。在退逃之前，查理十二任命李文豪普特將軍指揮剩餘的瑞典部隊徒步向土耳其境內撤退。6月30日清晨，緬希科夫指揮的俄羅斯騎兵隊(9000人)到達了佩列沃洛奇納。李文豪普特將軍提議舉行談判，試圖以此拖延時間，尋找對策，但緬希科夫代表沙皇彼得要求瑞典人馬上投降。這時，士氣低落的瑞典士兵開始成批地轉向俄羅斯軍隊，沒等進行可能的交戰就成爲俘虜。李文豪普特意識到他的軍隊無力進行抵抗，只好繳械投降。於是，出現了12000人(也有17000人、15000人等說法)向9000人投降的一幕。
彼得聽到了這個投降的消息，遂寫信給阿普拉克辛海軍上將說：“現在，憑着上帝的保佑，聖彼得堡的最後一塊奠基石也都已經安放好了。”於是，他派遣了一部分兵力到里加，另外一部分往波蘭與斯坦尼斯拉夫作戰，而自己則到達基輔。他在聖索菲亞教堂中舉行了一次莊嚴的謝恩禮拜。主教普羅柯波維齊致辭說：“當我們的鄰國聽到了這個消息，他們就會說，瑞典陸軍和瑞典的權力，所冒險侵入的不是一個外國，而是一個巨大的海洋!他們投下去就失蹤，好像鉛塊爲水所吞噬一樣。”無獨有偶，恩格斯也指出過，“ 查理十二世作了入侵俄國的嘗試;因此他葬送了瑞典，並清楚地向大家表明了俄國是不可攻克的。”這些可以算做預言吧，因爲未來的進軍俄羅斯者(如拿破崙和希特勒)都品嚐到了這個滋味。
由克羅波托夫隊長和沃爾康斯基將軍率領的俄羅斯4個騎兵團被派去抓獲查理十二和馬澤帕。他們在仔細地搜索草原之後，把撤退的瑞典軍隊逼退到南布格河岸邊。來不及渡河的瑞典軍隊有900人，經過短暫的戰鬥之後全部被俘。但是，此時查理十二和馬澤帕已經順利地到達了南布格河右岸。他們躲過了俄羅斯軍隊的追擊，隱藏到土耳其城堡奧恰科夫內。這樣，俄羅斯人在北方戰爭中的徹底勝利被推遲了一段時間。然而，在俄羅斯進軍時，瑞典損失了一些能攻善戰的精銳部隊，此後瑞典再也沒有出現過這樣的精銳部隊。
“兩個軍事天才決戰波爾塔瓦”的消息飛速傳遍了歐洲。爲勢所趨，丹麥、薩克森恢復了同俄國的結盟，奧古斯特二世重登波蘭王位，普魯士和漢諾威也加入了北方同盟。這樣一來，北方同盟由於俄軍的勝利而恢復，甚至擴大了。
