9 июня к Дерпту подошли основные силы русских вместе с Шереметевым. Непосредственно осаду города вели пять драгунских полков общей численностью 4975 человек и шесть пехотных полков численностью 5702 человек. Вместе с ними прибыло 55 орудий и 159 человек прислуги. Всего же в районе Дерпта силы русских превышали 21 тысячу человек.
Бомбардировка крепости началась 10 июня. Русские осадные батареи расположились по обоим берегам реки Амовжи. 3 июля к осадной армии внезапно приехал сам царь Петр и фактически принял командование на себя. 6 и 7 июля русские из 24 пушек и 11 мортир обстреливали Русские ворота, снеся до основания башню над ними. В ночь на 10 июня русские провели траншеи от ворот Святого Якова до Пороховой башни, приблизившись, таким образом, к пункту атаки с двух сторон. К вечеру 12 июля уже все было готово для штурма. Напротив Русских ворот, под прикрытием дыма от загоревшегося на шведском берегу дровяного склада, русские наскоро возвели мост через Амовжу.
Штурм длился семь часов подряд. Штурмующие продвинулись до палисада перед крепостной стеной и срубили его, в то время как обороняющиеся расстреляли все свои заряды. Стволы их мушкетов так накалились, что нельзя было держать в руках. Русские солдаты взобрались на равелин перед Русскими воротами, повернули шесть шведских пушек к воротам и разбили их. Когда русские овладели Пороховой башней, комендант полковник Шютте решил сдать крепость. Один за другим погибли четыре шведских барабанщика, бивших «шамад» (сигнал к сдаче). Лишь звуки трубы приостановили сражение, и осажденные обратились «со упросительными от всего дерптского гарнизона пунктами», составленными комендантом крепости.
Шютте просил разрешить гарнизону выход «с литаврами, с трубами и со всею музыкою», с распущенными знаменами, шестью пушками, всем огнестрельным оружием и месячным запасом продовольствия. Царь от имени фельдмаршала отправил коменданту не лишенный иронии ответ: «Зело удивляется господин фельдмаршал, что такие запросы чинятся от коменданта, когда уже солдаты его величества у них в воротах обретаются и которые так озлоблены, что едва уняты».
В самом деле, подобные условия были уместны до штурма, а не тогда, когда осажденные лишились выбора. Все же царь разрешил гарнизону покинуть крепость с семьями, пожитками и запасом продовольствия, но без артиллерии. Победителям достались огромные трофеи: 132 орудия, 15 тысяч ядер, большие запасы продовольствия. Но и потери были достаточно велики: до 900 человек убитыми и 2500 ранеными. Осажденные потеряли около полутора тысяч человек убитыми.
Позже прекратила свое существование и сама крепость: в 1708 году Петр, опасаясь с возвращением Карла XII из Саксонии потерять Лифляндию, приказал срыть крепостные укрепления Дерпта, После заключения Ништадского мира он приказал ее восстановить. Лишь в 1772 году крепость окончательно упразднили.
Отпраздновав наскоро взятие «праотеческого города Юрьев», Петр сел на яхту и по реке Амовже, Чудскому озеру и реке Нарове добрался до крепости Нарва.
Еще 26 апреля 1704 года окольничий П.М. Апраксин с тремя пехотными полками и тремя ротами конницы (всего около 2500 человек) занял устье реки Наровы (при впадении реки Росоны). Предусмотрительность русского командования оправдалась: 12 мая шведский адмирал де Пру, подошедший к устью Наровы с эскадрой и транспортными судами, пытался доставить в Нарву подкрепление в количестве 1200 человек и запасы, но,встреченный огнем русских береговых батарей, вынужден был уйти в Ревель.
30 мая русская армия переправилась на левый берег реки Наровы и расположилась лагерем со стороны моря в пяти верстах от Нарвы. Позднее она заняла то самое место, которое уже занимала в 1700 году, примыкая флангами к реке у деревни Юала и близ острова Хампергольм. Четыре драгунских полка обложили собственно Нарву, два полка окружили Иван-город, а остальные войска расположились лагерем в трех верстах от крепости. П.М. Апраксин остался возле устья Наровы. Но русская армия не могла приступить к осаде до подвоза пушек и мортир. Командовал войсками в отсутствие Петра сначала генерал Шенбок, а с 20 июня – фельдмаршал Огильви.
В русской армии после подхода войск Шереметева и прибытия артиллерии насчитывалось до 45000 человек (30 пехотных полков и 16 конных) при 150 орудиях. Шведский гарнизон Нарвы состоял из 31/5 человек пехоты, 1080 конницы и 300 артиллеристов, всего 4555 человек при 432 орудиях в самой Нарве и 128 орудиях в Иван-городе. Комендантом был тот же мужественный и энергичный генерал Горн.
Вскоре после начала осады среди осажденных и осаждающих распространился слух, что на помощь Нарве идет из Ревеля корпус генерала Шлиппенбаха. В связи с этим Меншиков предложил Петру устроить «маскарад», то есть переодеть четыре полка в синие мундиры, чтобы они походили на шведов. Эти полки должны были изображать корпус Шлиппенбаха. Маскарадный отряд во главе с Петром двинулся к крепости. Их притворно атаковали осаждающие во главе с Меншиковым и князем Репниным. На помощь ряженым из крепости вышел небольшой отряд шведских драгун. Русские войска попытались отсечь шведов от крепости. Однако те быстро раскусили обман и в полном порядке отступили. Русским удалось взять в плен четверых офицеров и 41 солдата. Несколько шведов были убиты. Петр был в восторге и повсеместно хвалился своей викторией. Полковник Рен за эту операцию получил чин генерал-майора. Но, увы, в целом операция провалилась.
Началась правильная осада крепости. Русское командование решило захватить два северных бастиона крепости – Викторию и Гонор, которые простреливались как с правого, так и с левого берегов Наровы. Для отвлечения внимания противника была запланирована атака на Иван-город, а также имитация атаки ни южные бастионы Триумф и Фортуна. Первое заложение траншей для атаки на правом берегу реки Наровы последовало в ночь на 13 июня. В 750 метрах от бастиона Гонор был построен редут, от которого повели подступы к крепости и ход сообщения назад. В ночь на 16 и на 17 июня русские отрыли подступы на левом берегу Наровы, где в прошлую осаду была мортирная батарея. Осажденные противодействовали работам вылазками и артиллерийским огнем, но не могли остановить приближения подступов к крепости. 25 июня была начата атака на Иван-город. Апраксин, оставив возле устья один полк, с остальными войсками подступил к Иван-городу.
17 июля к Нарве из Дерпта прибыл Петр, 18 июля прибыла осадная артиллерия. 30 июля был открыт огонь с возведенных осадных батарей: с пушечной – по бастионам Виктория и Гонор, с мортирных – по внутренности атакованного фронта и городу. Непрерывный огонь батарей продолжался до 9 августа. До конца осады всего было выпущено 4556 бомб. 30 же июля из Дерпта прибыли пехотные полки, расположились напротив южных фронтов крепости и повели на них ложную атаку.
2 августа главная атака на левом берегу подступами приблизилась к бастиону Виктория. 6 августа была построена шестая батарея (№ 17) на гребне гласиса, чтобы сбить орудия с двойных фланков бастиона Виктория, защищавших подступ к бастиону Гонор. В этот же день обрушился левый фас бастиона Гонор, образовав пологий и широкий обвал. Фельдмаршал Огильви отправил тогда письмо коменданту Нарвы с предложением сдаться, не дожидаясь приступа.