Основное русское войско под командованием Б. П. Шереметева92 подошло к Нотебургу 27 сентября, после чего начались осадные работы, сопровождавшиеся постоянными мелкими стычками, а также вылазками и ружейной стрельбой неприятеля. Но это не остановило деятельность осаждавших, и уже 29 числа начали делать батареи, на которые 30 сентября была установлена артиллерия: 31 пушка и 12 мортир. Несколько позже, 3 октября, на другой стороне Невы были установлены еще 6 пушек и 3 мортиры. Таким образом, против крепости было задействовано 51 орудие, в том числе 37 пушек и 14 мортир. Общая численность осаждающих составляла 12 500 солдат. Доставленные по «Осударевой дороге» фрегаты располагались к северо-востоку от крепости на корабельном фарватере со стороны Ладожского озера, их задача состояла в предотвращении возможного подхода подкрепления с этого направления от Кексгольма.

Карта-схема штурма Нотебурга. Рисунок из книги «Карты, планы и снимки к 4-му тому „Истории царствования Петра Великого“ Николая Устрялова». 1863 г.

Появление такого количества русских войск, а тем более двух морских фрегатов, было для коменданта полковника Густава Вильгельма фон Шлиппенбаха полной неожиданностью. Он рассчитывал на помощь со стороны главнокомандующего шведскими войсками в Ингрии генерал-майора Авраама Крониорта, но помощь не пришла: незадолго до начала осады Ф. М. Апраксин разбил наголову на берегу реки Ижоры отряд, высланный против него шведским главнокомандующим.

1 октября начался артиллерийский обстрел Нотебурга, продолжавшийся беспрерывно десять дней, пока запалы у большинства орудий не разгорелись, и стрелять из них стало невозможно. За это время было выпущено 10 725 зарядов и потрачен 4 371 пуд пороха. Основной удар был направлен на Церковную и Келарскую башни и стену между ними. Здесь было сделано три пролома, но они были в верхней части стены, что сильно затрудняло успех атаки. Более удачной была стрельба из мортирных батарей: при помощи навесной стрельбы удалось вызвать в городе два сильных пожара. Но при этом следует иметь в виду, что она не смогла до конца выполнить поставленной перед ней задачи, и Нотебургскую крепость пришлось штурмовать при помощи лестниц.

7 октября Петр I приказал начать подготовку к штурму. В тот же день были собраны «охотники», «которых немалое число записалось», а 9 числа раздали штурмовые лестницы. 11 октября «охотники» подъехали на лодках к острову с разных сторон, после чего начался штурм крепости, отличавшийся большим упорством. Кровопролитный бой с перерывами продолжался 13 часов, и все клонилось к победе шведов, которые упорно отбивали атаку за атакой. Осажденным помогало то обстоятельство, что на острове было очень мало места. Позже Петр I вспоминал, что «под брешью вовсе не было пространства, на котором войска могли бы собраться и приготовиться к приступу, а между тем шведский гарнизон истреблял их гранатами и каменьями». В какой-то момент даже было решено отступать. Существует легенда, что царь послал приказ об отступлении, но командовавший отрядом семеновцев подполковник М. М. Голицын, по праву считающийся одним из главных героев штурма, ответил, что «он уже не Петров, а Богов». Потом на глазах царя и всей армии военачальник приказал оттолкнуть от берега пустые лодки, на которых приплыл его отряд и бросился на штурм, который и принес победу русскому войску.

В конце концов, сказалось численное превосходство русских войск: к атакующим постоянно прибывали подкрепления, в то время как силы осажденных были ограничены. Исчерпав возможности для сопротивления, шведы вступили в переговоры, и вскоре комендант Нотебурга сдал крепость. Петр I дал ему самые почетные условия, как и всему храброму гарнизону: шведы были выпущены из крепости и вышли с распущенными знаменами, музыкой, полным вооружением и имуществом.