Крепостной гарнизон, вероятнее всего, насчитывал 450 (называются и другие цифры) человек при 138 (по другим данным 150) разнокалиберных орудий. К Нотебургу царским указом заблаговременно собирались войска из Новгорода, Ладоги и Пскова. Так Великая Северная война получила новое развитие.

Из Архангельска Петр I предпринял действия, которые стали полной неожиданностью для Стокгольма и немало удивили заинтересованную Европу. В Карелию был послан доверенный человек царя сержант-преображенец Михаил Щепотьев, которому была поставлена задача прорубить просеку от Белого моря до Онежского озера по дремучим лесам, мхам и болотам длиною около 250 километров! Просека, которая называлась Государевой дорогой, начиналась от деревни Нюхча на берегу Онежской губы. На пути встречалось только одно доступное для судов Выгозеро.

Сам Петр I в августе 1702 года, посадив гвардию на построенные в Архангельске суда, совершил переход по Белому морю к Соловецким островам. По достижении Онежской губы преображенцы и семеновцы высадились у деревни Нюхча. Отсюда до Повенца на Онежском озере гвардейцы шли сухим путем через карельские леса и болота по заранее прорубленной просеке. По ней волоком тащили 9 новопостроенных судов, в том числе два малых фрегата, вооруженных пушками.

Операцией по доставке флотилии из Архангельска в Онежское озеро, а оттуда в Ладогу руководил сам царь. С 16 по 29 августа солдаты-гвардейцы Преображенского и Семеновского полков при помощи мобилизованных на такую работу местных крестьян перетащили всю флотилию в Онегу. Запоздалые известия о том стали для шведов опасным сюрпризом: русские отнимали у них водные пути.

В Повенце в готовности к плаванию стояли суда, построенные на местной верфи. Часть из них была присоединена к царскому каравану. Петр I с гвардией спустился по Онежскому озеру и реке Свирь в Ладожское озеро, где уже действовала военная флотилия из стругов. 3 сентября петровская флотилия крейсировала у восточного берега озера, затем взяв курс к Неве.

В устье Свири гвардия высадилась на берег и сухим путем походным порядком (тяжести везлись на телегах) направилась к Ладоге, а оттуда – к крепости Нотебург. Там уже находились войска генерал-фельдмаршала Б.П. Шереметева с артиллерией. Были доставлены необходимые пушечные огневые припасы. Об осадной артиллерии позаботились заранее. Еще зимой в близкую Ладогу было завезено 10 мортир крупного калибра и 4500 бомб к ним, то есть по 450 выстрелов на каждое орудие.

Войска, собранные для осады и штурма Нотебурга, были расположены по обоим берегам Невы. Чтобы пресечь сообщения по воде шведского гарнизона, в Неву волоком перетащили 50 различных судов, большей частью больших лодок. Когда были проведены необходимые осадные работы и устроены батарейные позиции, началась артиллерийская бомбардировка каменной крепости на острове Орешек. Она продолжалась две недели. Через десять дней в крепостной ограде образовалось три внушительных пролома (в Церковной и Келарской башнях и в стене между ними), которые шведы по ночам уже не успевали заделывать бревнами и камнями. Внутри крепости возникли два сильных пожара, которые шведы с трудом потушили. Осажденный гарнизон сдаваться не думал, надеясь на скорую помощь и снятие осады.

Штурм Нотебурга был назначен на 11 октября. На остров высаживалось около 2 тысяч человек: большего числа людей полоска земли под крепостными стенами вместить не могла. Приступом командовали князь М.М. Голицын и майор Карпов. Отобранные войска (большей частью «охотники», то есть добровольцы из всех полков) были посажены на суда (лодки), снабжены штурмовыми лестницами и перед рассветом по условному сигналу устремились к стенам крепости, в которых зияли проломы.

О внезапности нападения на шведов даже ночью речи не шло. Как только лодки с десантом оказались на виду с крепостных стен, по ним повелась пушечная (картечью и калеными ядрами), а затем ружейная стрельба. Но лодки прорвались через жестокий огонь и одна за другой приставали к берегу Орешка. Солдаты, часть которых была гребцами, бесстрашно бежали к проломам, ставили штурмовые лестницы и карабкались по ним вверх.

Гарнизон Нотебурга мужественно встретил штурм и отразил первую атаку на крепость. Однако князь Голицын с завидным упорством вновь повел штурмующих на приступ проломов: и так раз за разом. На остров Орешек было переброшено на лодках еще 500 человек под начальством энергичного бомбардирского поручика А.Д. Меншикова. Противники поражали друг друга тысячами ручных гранат. Новый приступ стал победным: в жаркой рукопашной схватке около сотни солдат во главе с храбрым Меншиковым удалось взойти на стены, и тем самым участь Нотебурга была решена.

Кровопролитный штурм Нотебурга длился долгих 13 часов. Комендант крепости, видя бесполезность дальнейшего сопротивления, приказал вывесить белый флаг. «Шведы выпущены из крепости с воинскими почестями и, в воздаяние храбрости, с пулями во рту. Их уцелело едва 150 человек».

Победа обошлась для атакующих в 500 убитых и тысячу раненых. Историк А.А. Керсновский приводит такие цифры: 538 убитых и 925 раненых. Шестая часть потерь пришлась на «охотников» из лейб-гвардии Преображенского полка. Всего же на приступ древней новгородской крепости Орешек, усиленной шведскими фортификаторами, шло около 2,5 тысяч солдат и офицеров.

Штурм древнего новгородского Орешка имел одну особенность. За всю историю Северной войны это был единственный случай взятия крепости при помощи штурмовых лестниц. Во всех других случаях определяющей силой являлась мощь артиллерийского огня.

Победа была знатная: она открывала путь русским в Неву. Царь Петр I в письме к думному дьяку А.А. Виниусу, исполнявшему обязанности генерал-фельдцейхмейстера, следующим образом оценил одержанную на Ладожском озере викторию: «Правда, что зело жесток сей орех был, однако, слава Богу, счастливо разгрызен».

Участников победного штурма ждали награды по-царски. Офицеров высочайше пожаловали специально выбитой медалью из золота, нижних чинов – из серебра. На лицевой стороне был изображен царь Петр I, на другой – бомбардируемая крепость и шла лаконичная надпись: «Был у неприятеля 90 лет». Одновременно выдавались и денежные награды: солдат получал двойное жалованье. Один из особо отличившихся, преображенский майор Д. Карпов получил чин подполковника, 150 крестьянских дворов и 1500 рублей.

Герой штурма Нотебургской крепости бомбардирский поручик Александр Меншиков, бившийся со шпагой в руках в первых рядах штурмующих, был высочайше пожалован губернатором Шлиссельбургским, Лифляндским, Карельским и Ингерманландским. Последние земли предстояло еще «взять на щит». Считается, что с этого времени началось стремительное возвышение петровского фаворита, человека в военном деле не бесталанного.

Другой герой штурма Орешка, князь Михаил Голицын получил чин полковника гвардии Семеновского полка. Когда первый яростный приступ шведы отбили, он приказал оттолкнуть от берега все лодки (чтобы и помысла не было отступить с острова) и повел солдат на новый приступ, который после прибытия на усиление людей Меншикова и стал решающим.

Поощряя всех принимавших участие в «жестоком, чрезвычайно трудном приступе», Петр I нашел необходимым отметить позорной казнью бежавших с приступа: они были прогнаны сквозь строй и с заплеванными лицами казнены смертью повешением. Таких недостойных нижних чинов оказалось в Преображенском полку 8 человек.