Его по-юношески авантюрная политика дала повод другим странам развернуть в 1700 военные действия в Шведской Прибалтике. Польша с Саксонией, Дания с Норвегией и Россия создали коалицию против Швеции накануне Северной войны. Но 18-летний Карл XII оказался более проницательным, чем могли предположить его более великовозрастные монархи-противники.
Первая военная кампания Карла была направлена против Дании, королём которой был в то время его кузен Фредерик IV Датский, летом 1700 напавшей на шведского союзника Фридриха IV Гольштейн-Готторпского (другого кузена Карла XII, женатого на его сестре Хедвиг-Софии). Карл с экспедиционным корпусом неожиданно высадился у Копенгагена, и Дания запросила мира, однако возвышение Швеции на Балтике вызвало недовольство у двух крупных соседей: у польского короля Августа II (он приходился кузеном и Карлу XII и Фредерику IV Датскому; еще в феврале 1700 его саксонские войска осадили центр Шведской Прибалтики — город-крепость Ригу, но известия о поражении Дании заставили Августа II отступить), а также у русского царя Петра I.
Вторгнувшись в Шведскую Прибалтику летом 1700, русские войска под командованием Петра I осадили стоящие рядом крепости Нарва и Ивангород с единым гарнизоном. В ответ на это ведомый Карлом шведский экспедиционный корпус, так удачно выведший из войны Данию, морем переправился в Пярну (Пернов) и двинулся на помощь осаждённым. 30 ноября Карл решительно атаковал русскую армию с оставленным Петром I на командование фельдмаршалом де Круа при Нарве. В этом упорном сражении русское войско почти троекратно превосходило шведскую армию (9-12 тысяч при 37 пушках у шведов против 32-35 тысяч русских при 184 орудиях). Наступая под прикрытием снежной пурги, шведы вплотную подошли к русским позициям, растянувшимся тонкой линией перед стенами Нарвы, и короткими ударами прорвали их в нескольких местах. Командующий де Круа и многие иностранные офицеры тут же сдались шведам. Центральная часть русских войск начала беспорядочный отход к своему правому флангу, где находился единственный мост через реку Нарова. Мост не выдержал массы отступавших и рухнул. На левом фланге 5-тысячная конница Шереметева, увидев бегство других частей, поддалась общей панике и бросилась через реку вплавь. Несмотря на то, что стоявшие на правом фланге Семеновский и Преображенский полки сумели отбить атаки шведов, устояла и пехота на левом фланге, сражение завершилось капитуляцией русских войск ввиду их полного разгрома. Потери убитыми, утонувшими в реке и ранеными составили около 7000 человек (против 677 убитых и 1247 раненых у шведов). Была потеряна вся артиллерия (179 пушек), в плен попало 700 человек, в т. ч. 56 офицеров и 10 генералов. По условиям капитуляции (русским частям, кроме сдавшихся в плен во время боя, было разрешено переправиться к своим, но без оружия, знамён и обоза) шведам досталось 20 тысяч мушкетов и царская казна в 32 тысячи рублей, а также 210 знамён.
Затем Карл ХII повернул армию против Польши, разбив Августа II и его саксонскую армию (Август Cильный, будучи избранным польским королем, остался наследственным курфюрстом Саксонии) в битве при Клиссове в 1702. После смещения с польского престола Августа II Карл заменил его своим ставленником Станиславом Лещинским.
Тем временем Петр I отбил у Карла часть прибалтийских земель и основал на отвоёванных землях новую крепость Санкт-Петербург. Это заставило Карла принять фатальное решение о захвате русской столицы Москвы. Во время похода им было принято решение повести свою армию на Украину, гетман которой — Мазепа — перешёл на сторону Карла, но не был поддержан основной массой украинского казачества. Шедший на помощь Карлу корпус Левенгаупта был разбит русскими в сражении у деревни Лесной. К тому моменту, когда шведские войска подошли к Полтаве, Карл потерял до трети своей армии. После неудачной для шведов трехмесячной осады Полтавы, произошло сражение с основными силами русской армии, в результате которого шведская армия потерпела поражение. Карл бежал на юг в Османскую империю, где он организовал лагерь в Бендерах.
Турки первоначально приветствовали шведского короля, который подговаривал их начать войну с русскими. Однако султан, в конечном счёте уставший от амбиций Карла, проявил коварство и распорядился арестовать его. Старые враги короля Россия и Польша использовали в своих интересах его отсутствие, чтобы восстановить утраченные земли и даже расширить территории. Англия, союзник Швеции, отказалась от союзных обязательств, в то время как Пруссия захватила шведские капиталы в Германии (под которыми надо понимать шведские владения в Германии, временно уступленные Пруссии по секвестрационному договору). Россия захватила часть Финляндии, а Август II вновь вернулся на польский трон. В 1713 году султан под давлением России и европейских держав распорядился силой выпроводить Карла из Бендер, в ходе которого произошло вооруженное столкновение шведов с янычарами, т.н. «калабалык», а сам Карл был ранен, потеряв кончик носа.
Ситуация в самом королевстве была угрожающей, поэтому Карл бежал из Османской империи и потратил лишь 15 дней, чтобы пересечь Европу и вернуться в контролируемый Швецией Штральзунд в Померании, а затем и в саму Швецию. Его попытки восстановить потерянную власть и влияние потерпели неудачу (в столице — Стокгольме — он так и не побывал, покинув, таким образом, в 1700 году город навсегда). Незадолго до смерти Карл попытался завершить Северную войну с Россией Аландским конгрессом. В ноябре 1718 года Карл во время своего последнего похода в Норвегию (которая была тогда под властью Дании) при осаде крепости Фредрикстен находился в передовой траншее и был убит шальной пулей (пуговицей). По другой версии — он стал жертвой заговора шведских правящих кругов, недовольных разорением страны бесконечными войнами, и был убит в результате покушения (обстоятельства гибели короля до сих пор являются причиной ожесточённых споров). Карл XII стал последним монархом Европы, павшим на поле боя. После Карла шведский трон наследовала его сестра Ульрика Элеонора, но вскоре престол перешёл к её мужу Фридриху (Фредрику I) Гессен-Кассельскому. После неудачной попытки продолжения войны Фредрик I заключил в 1721 Ништадтский мир с Россией.
Карл XII считается большинством историков блестящим полководцем, но очень плохим королем. Обходясь без алкоголя и женщин, он прекрасно чувствовал себя в походе и на поле боя. По оценкам современников, он очень мужественно переносил боль и лишения и умел сдерживать свои эмоции. Король привел Швецию к вершине могущества, обеспечив огромный престиж страны через свои блестящие военные кампании. Однако его честолюбивое стремление к победоносному продолжению войны с Россией, которая была поддержана восстановившейся антишведской коалицией, в итоге принесло Швеции поражение и лишило её статуса великой державы.