В умовах загрози існування гетьманської держави, навіть на рівні автономної адміністративної одиниці, Мазепа прийняв єдине вірне на його думку рішення, яке могло врятувати Гетьманщину – піти на контакт із Карлом ХІІ.
В той час, як шведський король скерував свої війська на Україну, Цар Петро І наказав Мазепі об'єднатися з московськими військами. Мазепа зібрав нараду, на якій було вирішено не йти на це, а надіслати листа Карлові XII, аби він не пустив московських військ на Україну. Гетьман не поїхав сам, повідомивши про хворобу, і послав лише частину козаків. З листом до короля Швеції все відтягувалося, аж поки не напосіла старшина. В листі було прохання прийняти український народ під свою протекцію. Шведський король передав усно, що буде коло річки Десни 22 жовтня. Темп подій все пришвидшувався, і гетьман вирішив їхати на зустріч до Карла XII. Він залишив Батурин сердюцькому полковникові Чечелю з чотирма його полками та частиною полків Лубенського, Миргородського й Прилуцького. Сам гетьман взяв з собою 5000 козаків, стільки ж поставив по правий бік Десни. Але то не були свідомі повстанці. Козакам досі нічого не сказали про зв'язок Мазепи зі шведами. У цьому і полягає головна помилка ініціаторів тієї справи. Лише в останній момент перед шведським військом Мазепа проголосив козакам про своє рішення. Не вся й старшина пішла за Мазепою.
Перша офіційна зустріч Мазепи і шведського короля відбулася 29 жовтня.
Мазепа ж був у той час у Ромнах. Знищення Батурина подіяло на старшин гнітюче. Старшина почала боятися московського гніву і тікати до Петра І. Першими втекли до царя Апостол, Сулима, Галаган, Гамалія, Кандиба, Антонович. Всіх їх цар прийняв і не тільки повернув їм колишні посади, а й возвисив. Зате кожного, хто підозрювався в прихильності до Мазепи, хапав, піддавав катуванням, а потім вбивав.
Єдиним позитивним моментом був перехід на бік Мазепи запорозького кошового Костія Гордієнка. У той же час був підписаний договір з королем Швеції, в якому Карл XII присягав піти на мир з Москвою лише за умови, що Україна відокремиться від Москви і стане незалежною державою. Коли не було Гордієнка, на Січ прийшли полковник Яковлев з Ґалаґаном. Вони запевнили козаків, що цар не хоче зробити Україні нічого поганого, а Мазепа — зрадник українських та козацьких інтересів. І козаки повірили.
27 червня 1709 р. відбулася фатальна для тогочасної України Полтавська битва.
Сили були нерівні: Петро мав 50 000 вояків та 72 гармати, шведів було не більше 25 000 тисяч, а більша частина їхню артилерії загинула під Лісною, крім того, бракувало набоїв, військо було втомлене та деморалізоване.
Перемога Петра І була несподіванкою навіть для нього. Сп'янілий від успіху, він на деякий час забуває про Мазепу та Карла XII, а вони 30 червня дійшли до Перволочної, намагаючись переправитися на правий берег Дніпра, але майже всі човни було знищено. Тільки Карл XII, Мазепа та невелика частина війська встигли переправитися, а 16 000 славетної піхоти Карла XII та 28 гармат під командою генерала Левенгаупта здалися кінноті Меншикова й Скоропадського. Армія Карла практично перестала існувати. Це була величезна катастрофа для України та Швеції.
Для України Полтавську битву треба вважати трагічним зворотним пунктом в історії української державності.
У липні 1709 р. І. Мазепа і Карл XII були в Очакові, а 1 серпня перейшли до Бендер, де турецький уряд призначив їм місце перебування. З Мазепою були тільки Орлик з родиною та кілька старшин.
Гетьман прибув до Бендер вже зовсім хворий, не вставав з ліжка. Карл XII ще сподівався на продовження війни, чекав нових військ із Швеції. Мазепа хотів створити коаліцію проти Москви, та 22 серпня 1709 р. помер. Похований він був у Яссах. Король Швеції сам супроводжував домовину.
Український уряд на чолі з гетьманом І. Мазепою емігрував. Плани гетьмана були нереалізовані. Але історія України явно показала, що ця величезна поразка Української держави й української державницької ідеї, яка сталася в 1708—1709 рр., разом з тим стала й початком подальшого розвитку українства, української національно-визвольної ідеї.
