3 октября парламентер-барабанщик передал русским просьбу жен шведских офицеров, умолявших «о позволении зело жалостно, дабы могли из крепости выпущены быть ради великого беспокойства от огня и дыму». Письмо попало к Петру, и он ответил женщинам, что «есть ли изволят выехать, изволили б и любезных супружников своих с собою вывести купно». Как отмечалось в «Книге Марсовой», «сей комплимент знатно осадным людям показался досаден», и артиллерийская дуэль возобновилась.
11 октября по трем сигнальным залпам на остров переправились первые охотники-десантники. Так начался штурм крепости, продолжавшийся 13 часов «в непрестанном огне». Шведы «строение, за которым наши было защитились, огненными ядрами зажгли и непрестанно дробом по ним из пушек били, так что не могли в суды садиться». На беду, штурмовые лестницы оказались слишком короткими, а бреши были пробиты лишь в верхней половине стен. Несмотря на помощь добровольцев, прибывших с подпоручиком А. Д. Меншиковым, троекратно возобновляемый штурм, казалось, вот-вот окончательно прекратится. Положение русских солдат было отчаянным. Их, стоящих у подножия стен, в упор расстреливали вражеские стрелки сверху, в них летели гранаты и камни. «И, хотя наш штурм, — как сообщалось в реляции о взятии крепости Нотебург, — выручкою и свежими людьми довольно креплен есть, однако ж не могли они проломов и крепость взять ради малого места земли и сильного сопротивления неприятельского».
Петр I послал приказ вернуться, но подполковник Семеновского полка М. М. Голицын, командовавший смельчаками, ответил связному: «Скажи царю, что теперь я уже не его, божий», — и велел оттолкнуть лодки. Решимость русских людей определила участь крепости. «Неприятель от множества нашей мушкетной, так же и пушечной стрельбы в те 13 часов толь утомлен и видя последнюю отвагу тотчас ударил шамад (сдача), — сообщалось в реляции. 12 октября последовала капитуляция, и «наши на три учиненных пролома на караул впущены». Победители вступили в крепость 13 октября.
К побежденным отнеслись гуманно. Фельдмаршал Б. П. Шереметев, как сказано в условиях капитуляции, «под честное слово кавалера, которое он, слава богу, никогда не нарушал, даже перед турками, не говоря о христианах», разрешил беспрепятственный выход шведов. Коменданту для оправдания перед королем разрешили произвести краткий осмотр крепости и зачертить план ее осады.
14 октября 83 здоровых и 156 раненых шведов под барабанный бой с распущенными знаменами, личным оружием и 4 пушками сквозь проломы навсегда покинули остров. «Таковым образом, через помощь божию, — писал Петр I, — отечественная сия крепость возвращена, которая была в неправдивых неприятельских руках 90 лет».