9 июля 1702 г. Карл XII победил саксонцев при Клиссове. В том же 1702 г. Паткуль, не доверяя стойкости и энергии Августа Сильного, перешел в русскую службу, твердо полагая, что Петр Великий заключит мир только после того, как он нанес решительный удар шведскому могуществу. Сперва он был послан с секретным поручением в Вену, а затем он был назначен действительным тайным советником и вторым посланником при польском и императорском дворах. Русское правительство умело достойно ценить его услуги.
В 1703 г. Шереметев совершил опять опустошительный поход по всей Лифляндии и пощадил только окрестности Ревеля, Пернова и Риги. Из этого можно заключить, что он имел намерение заняться в благоприятное для того время осадой этих городов. Осенью 1703 г. удалось Паткулю убедить Августа Сильного, сперва противившегося, возобновить союз с Россией как от своего имени, так и от имени великого княжества литовского. Так как Карл XII, тогда находившийся в Литве, требовал все новых подкреплений, то почти все обученные войска были выведены из Лифляндии, а защита ее поручена отрядам молодых неопытных новобранцев и местных добровольцев (Ritlerfahne). Большая часть офицеров состояла из лифляндцев, число которых в шведской армии вообще было весьма значительно. Эти лифляндские отряды в мелкой войне оправдали возложенные на них надежды; в более крупных делах они не могли участвовать.
То же нужно сказать о гарнизонах крепостей. Жители Дерпта и Нарвы к тому были истощены военными налогами. Вообще города уже не могли удовлетворить денежным требованиям, которые к ним предъявлялись. И вот на эти области, из которых Карл XII рассчитывал получать военные припасы, Петр Великий теперь обратил серьезное внимание. Шведская флотилия, стоявшая в Дерпте, еще во время 1701-1703 гг. успешно тормозила всякие операции против Нарвы. То же самое она хотела делать в 1704 г., когда русские угрожали Нарве. Но русской флотилии под начальством генерал-майора фон-Вердена удалось занять устье реки Эмбах и вслед затем захватить большую часть шведской флотилии (14 вымпелов) при Кастере 3 мая 1704 г. После этого фельдмаршал Шереметев подошел к Дерпту и открыл сильный огонь против города с западной и южной стороны. Когда 2 июля Петр Великий приехал к Дерпту и открыл сильный огонь против города с западной и южной стороны. Когда 2 июля Петр Великий приехал, он изменил план осады, стянул всю артиллерию в один пункт на северо-западе, где было слабое место в городской стене, и сделал в ночь на 13 июля столь удачный приступ, что комендант Шитте сдался. 9 августа была взята Нарва после сильного бомбардирования. Таким образом Петр Великий обеспечил себя с этой стороны. В 1707 и 1708 годах все немецкое население Дерпта было переведено в Вологду и Кострому, а город после того совершенно разрушен, так что уцелели только очень немногие постройки. Известие о намерении Карла XII возвратиться в эту местность вызвало эту жесткую меру, имевшую целью лишить неприятеля точки опоры.
Между тем в Польше возникли большие смуты. Партия, образовавшаяся под влиянием Карла XII, избрала в короли Станислава Лещинского. Но Август Сильный не уступил ему, и Речь Посполитая наконец заключила союз с Россией против Швеции; до этого времени поддерживалась фикция, что Август Сильный ведет войну со шведами в качестве саксонского курфирста, и не в качестве польского короля. В феврале 1704 г. Паткуль провел несколько дней в Берлине и получил от прусского короля Фридриха I обещание, что он примкнет к союзу против Швеции, если только Август Сильный сделает со своей стороны все возможное. После того он был назначен начальником русского вспомогательного корпуса, = это против своих желаний; он предпочитал дипломатическую деятельность. Вместе с армией короля Августа он подступил к Варшаве. После взятия крепости король Станислав уехал из Варшавы. Осаду Познани Паткуль прервал, так как приближался Карл XII. Он со своим, в плохом состоянии находившимся, войском отступил в нижнюю Лузацию, а главная армия Августа под начальством Шуленбурга потерпела поражение от Карла XII.
Между тем русские под начальством Шереметева вступили в Курляндию. Однако Левенгаупт разбил их при Гемауертгофе 16 июля (=15/26 июля) 1705 г. Тем не менее шведы отступили за Двину, а русские заняли Бауск и Митаву. Когда Карл XII запер в Гродне русское войско под начальством Огильви (январь 1706 г.) русские очистили Курляндию, которую вновь занял Левенгаупт.
Паткуль, находившийся в качестве русского дипломатического агента при короле Августе, был арестован 8 декабря 1705 г. по приказу саксонского тайного совета под ничтожным предлогом и заключен в крепость Зонненштейн. Таким образом Август отделался от неудобного советника, неутомимо трудившегося в пользу союза с Россией, так как он уже вступил в переговоры с Карлом XII и это стало известно. Когда Петр Великий заступился за своего представителя, то Август обещался освободить его. Но Паткуль не только не был освобожден, но был переведен в более сильную крепость Кенингштейн. Мир между Швецией и Саксонией был тайно подписан 25 апреля 1706 г. в Альтранштедте и опубликован 1 января 1707 г. Август Сильный отказался от польского престола и принял в числе других и то условие, которое его обязывало выдать шведам всех лиц, родившихся в Швеции и в то время проживавших в Саксонии. К числу этих лиц принадлежал и Паткуль и, нужно полагать, ради него шведы сделали это условие. Паткуль действительно был выдан своему злейшему врагу, унаследовавшему ненависть к изменнику от своего отца. После шестимесячного процесса он был приговорен к смерти и в понедельник 30 сентября (11 октября) 1707 г. предан мучительной казни в Казимире в восьми милях от Познани.
В Лифляндии происходили тогда лишь мелкие стычки. Но при Лесной в нынешней могилевской губернии Левенгаупт, шедший на соединение с Карлом XII, потерпел от Петра Великого тяжелое поражение. Решительное поражение потерпел Карл XII под Полтавой 27 июня 1709 г. (=28 июня = 8 июля; войско его сдалось в плен; он сам искал спасения в Турции.
После этого шведские силы, предназначенные для действий в открытом поле, были уничтожены, но главные крепости в Лифляндии Рига, Ревель, Пернов еще держались и против них были направлены теперь энергетические меры. 26 октября 1709 г. Шереметев явился под Ригой на левом берегу Двины и прекратил подвоз съестных припасов из Курляндии, которая все еще поставляла большую часть провианта в Ригу, хотя она была в руках русских. Гарнизон Риги состоял приблизительно из 12000 войска, в том числе 4000 новобранцев. Но генерал-губернатор граф Стремберг не успел доставить в город полного количества провианта. От 9 до 15 ноября царь Петр находился в русском лагере. Осадные сооружения русские устроили в садах под Гагенсгофом. Петр сам открыл бомбардирование: 13 ноября снаряды еще не долетали и падали в Двину, 14 ноября было пущено более 100 снарядов, которые попали в собор и в окружающие его здания. Но по причине наступления зимы осаду нельзя было вести систематически. Царь уехал в Петербург, Шереметев в Митаву Город однако остался заключен и русские снаряды все-таки причинили уже много вреда. Церкви, ратуша и несколько частных домов пострадали; в крепости взорвало две пороховые башни, одну с 1800 бомб, которые отчасти упали в городе. При этом погибло больше 1000 людей. Уже теперь в городе начали ощущать недостаток провианта, хотя число не военного населения, если не считать латышей в пригородах, немного превышало 1000 и многие выехали из города. Губернатор требовал выдачи всяких припасов, заготовленных некоторыми купцами. Так как он мог платить наличными деньгами лишь в весьма ограниченных размерах и должен был купцов вознаграждать обещаниями, то между ним и городским управлением происходили весьма неприятные объяснения. Повторенные несколько раз ревизии однако выяснили, что у купцов никаких запасов больше не было. Как в русском лагере, так и в городе вспыхнула чума. Первые заболевания случились в Риге в мае 1710 г. В то же время Шереметев возобновил регулярную осаду. 1 июня рано утром он занял предместья. Предложение сдаться, сделанное 11 июня, было отвергнуто. Тогда русские подвергли Ригу страшному бомбардированию (15-24 июня); было брошено в город 4400 снарядов, в том числе много зажигательных; число убитых неизвестно; известие о том, что погибло 22000 — есть еще более щедрые — сильно преувеличивает. Но комендант попросил перемирия на десять дней. Шереметев согласился лишь на перемирие в два дня (28-29 июня). 29 июня было объявлено о намерении сдачи и граф Стремберг, рыцарство и город отдельно составили условия. 1 июля происходили переговоры. Капитуляция подписана «в лагерь под Ригой» 3/14 июля Шереметев принимал присягу от рыцарства в замке, от совета и горожан на площади перед ратушей. При этом он дал обещание, что условия рижан будут приняты. Согласие царя на исполнение условий, касавшихся преимущественно религии, языка и права последовало в Петербурге 30 сентября 1710 г.