Но, судя по всему, Карл XII продолжал доверять Мазепе и 8 апреля 1709 года заключил с ним формальный договор, фиксирующий, по всей видимости, прежние договорённости, частично уже исполненные, а частично уже невозможные, в котором, в частности, даровал Мазепе пожизненное звание «законный князь Украины». Мазепа же, среди всего прочего, обещался передать Карлу XII «на время войны и опасностей» города Стародуб, Малин, Батурин, Полтаву, Гадяч. Союзным договором между Украиной и Швецией предусматривалось: «Всё, что завоюется из бывшей территории Московщины, будет принадлежать на основании военного права тому, кто этим завладеет, однако то, что раньше принадлежало украинскому народу переходит во владение украинского княжества»[36][37][неавторитетный источник?].
6 ноября 1708 года царь Пётр на раде в Глухове повелел избрать нового гетмана. Согласно желанию Петра, был избран Иван Ильич Скоропадский.
12 ноября 1708 года в Троицком соборе Глухова в присутствии Петра I митрополит Киевский, Галицкий и Малыя России Иоасаф (Кроковский), родом из Львова, в сослужении других архиереев: святого архиепископа Черниговского и Новгород-Северского Иоанна (Максимовича) и епископа Переяславского Захарии (Корниловича) совершил литургию и молебен, после чего «предал вечному проклятию Мазепу и его приверженцев»[38].
В тот же день в Глухове была совершена символическая казнь бывшего гетмана, которая описывается следующим образом: «вынесли на площадь набитую чучелу Мазепы. Прочитан приговор о преступлении и казни его; разорваны князем Меншиковым и графом Головкиным жалованные ему грамоты на гетманский уряд, чин действительного тайного советника и орден святого апостола Андрея Первозванного и снята с чучелы лента. Потом бросили палачу сие изображение изменника; все попирали оное ногами, и палач тащил чучелу на верёвке по улицам и площадям городским до места казни, где и повесил»[38].
12 ноября того же года в Успенском соборе Москвы в присутствии царевича Алексея Петровича Местоблюститель Московского Патриаршего престола митрополит Рязанский и Муромский Стефан (Яворский) в сослужении собора архиереев совершил благодарственный молебен в связи с избранием в гетманы Скоропадского, после чего обратился к сослужащим архиереям: «Мы, собранные во имя Господа Иисуса Христа, и имеющие подобно святым апостолам, от самого Бога власть вязати и решити, аще кого свяжем на земли, связан будет и на небеси, возгласим: изменник Мазепа, за крестопреступление и за измену к великому государю, буди анафема!»[38] Кроме того, по поручению Петра І, специально для гетмана Мазепы был изготовлен Орден Иуды.
Идеологические оценки личности и деяний Мазепы чрезвычайно различны, часто противоположны. Однако объективным результатом его перехода к Карлу было втягивание войска шведов в Малороссию, куда они вошли в расчёте на обещанные Мазепой провиант, зимние квартиры и 50 тысяч казачьего войска (хотя, возможно, против желания самого гетмана): «Карл шёл в Малороссию с большими надеждами. Малороссийский гетман Иван Мазепа вступил с ним в тайный договор, и его тайная присылка к королю с просьбою идти скорее была, как говорили, причиною внезапного поворота королевского»[26][39]. Но под знамёна Мазепы встало только 3 тысячи, многие из которых вскоре его покинули, воспользовавшись объявленной Петром амнистией. Позднее к шведам присоединилось ещё около 7 тысяч запорожцев (это по шведским данным, обычно называют вдвое меньшие числа). Эти войска даже не участвовали в решающем Полтавском сражении. В то же время, в русской армии было больше казаков, чем у Мазепы.
Войска шведов под Полтавой 27 июня (8 июля) 1709 года были разгромлены русской армией[40], влияние Швеции в Европе было значительно ослаблено, а влияние России возросло. После Полтавской битвы Карл и Мазепа бежали на юг к Днепру, переправились у Переволочны, где чуть не были захвачены русскими войсками, и прибыли в Бендеры.
Османская империя отказалась выдать Мазепу русским властям. Хотя царский посланник в Константинополе Пётр Толстой был готов потратить на эти цели 300 000 ефи́мков, которые предлагал великому турецкому визирю за содействие в выдаче бывшего гетмана.
Умер Мазепа 22 сентября 1709 в Бендерах. По распоряжению племянника Войнаровского, тело его было перевезено в Галац и там с большой пышностью похоронено в церкви Святого Георгия.
По просьбе гетмана Скоропадского, ссылавшегося на случаи насилия по отношению к малороссам со стороны великороссов, 11 марта 1710 года царь манифестом строго запретил оскорблять «малороссийский народ», попрекать его изменой Мазепы, угрожая в противном случае жестоким наказанием и даже смертною казнью за важные обиды[41]. Тем не менее, согласно свидетельству датского посла Юста Юля, побывавшего в Гетманщине в 1711 году, со времени Мазепы царь «не очень-то доверял» казакам, которые, в свою очередь, были недовольны тем, что все гарнизоны и коменданты украинских крепостей были русскими[42].