Фактическая численность войск, осадивших Нарву, была чуть более 40 тыс. человек. Причем около 11 тыс. составляло дворянское конное ополчение. Наиболее подготовленными были лишь три полка (Преображенский, Семеновский и бывший Лефортов полк).

Все войска разделены были на три группы («генеральства») с тремя командующими (A.M. Головин, А.А. Вейде и Н.И. Репнин). Общее, правда, чисто формальное руководство было за A.M. Головиным.

Города Ям, Копорье и Сыреноу сразу же добровольно сдались русским, и 22 сентября передовой отряд вместе с Петром I появился под Нарвой.

Лагерь, осаждавших крепость, охватил ее полукругом на левом берегу реки. Однако напротив средней, основной линии укреплений в крепости находилась высокая гора, с нее легко было расстрелять русский лагерь, левая часть которого плохо сообщалась с правой. Поскольку вся линия осадного лагеря была слишком растянута, то плотность огня резко упала. И это было большой ошибкой русского командования. Под Нарвой выяснилась слабость и разнокалиберность русской артиллерии. За два месяца осады не было пробито ни одной бреши в крепостных укреплениях. Петр пытался взять Иван-город, но не удалось и это. Значительная часть русских войск (в том числе и казаков-запорожцев) не прибыла к Нарве даже к злосчастному ноябрю 1700 года.

А тем временем беспечный Август II 15 сентября снял безуспешную осаду Риги. Карл XII неожиданно (при поддержке английских и голландских кораблей) высадился у Копенгагена, когда датское войско было в Голштинии под Тон-нингеном. Копенгаген вынужден был сдаться, а король Фредерик IV заключил мир со Швецией и расторгнул союз с Августом II. Впрочем, еще на пути к Нарве Петр I понял, что датский король сдался шведам, но иного выбора уже не было. Ситуацию усугубляло и другое: посланный к Ревелю Б.П. Шереметев под угрозой превосходящего войска 18-летнего Карла XII быстро отступал к Нарве.

Самое печальное стряслось при неожиданной контратаке шведов 19 ноября (а Петра I в это время в лагере не было! Он отправился за войсками к Новгороду). Имея от пере-бежчика-лифляндца точные данные о расположении осаждающих, шведы Карла XII, скрытые от русских завесой снегопада, прорвали тонкую, растянутую на 7 верст линию осаждающих и ворвались в лагерь. Тотчас началась массовая измена офицеров-иностранцев, включая и главнокомандующего в тот момент войсками герцога фон Круи. Оборону стойко держали лишь бывшие потешные полки. На другой день русские генералы капитулировали с условием свободного, с сохранением оружия и знамен (но без артиллерии), перехода на правый берег Нарвы. При отходе русских шведы, нарушив договоренность, напали на переправлявшихся и обобрали их до нитки. Это было полное поражение, принесшее около 6 тыс. погибших. Главное же: армия лишилась всей с таким огромным трудом созданной артиллерии.

Точно так же, как и после неудачи первого азовского похода, поражение у Нарвы буквально удесятерило энергию и организаторскую деятельность Петра I. В первую очередь его усилия были устремлены на восстановление боеспособности армии, пополнение ее рядов. Не менее важной задачей было создание (практически заново) артиллерии. На все это нужны были огромные деньги.