Шведская крепость Нотебург имела важное значения для контроля над Ижорской землей (Ингерманландией). Находясь в истоке реки Невы, крепость запирала водный путь в Балтийское море и одновременно позволяла контролировать Ладожское озеро. Благодаря своему островному положению крепость была пригодна для длительной эффективной обороны, что подтверждает опыт осад 1555, 1582, 1611-1612, 1656 гг. Большая часть острова занимали крепостные укрепления, что затрудняло проведение десантных операций. Они состояли из крепостного замка и каменной стены с 7 башнями. На правом берегу в небольшом полевом укреплении (шанце) находился передовой шведский пост. Гарнизон крепости насчитывал 450 человек при 138 тяжёлых орудий. Руководил обороной крепости подполковник Густав Вильгельм фон Шлиппенбах.

Для атаки на крепость русским командованием были привлечены главные силы армии (в том числе гвардейские полки). Осадный корпус начал сосредоточение в Ладоге (ныне с. Старая Ладога, Волховский р-н) в августе 1702 г. Воинские части прибывали из Новгорода и Пскова, а также из Архангельска. На Ладожском озере появилось значительное число малых и средних судов, созданных на лужской, новгородской и архангельской верфях.

Командующим осадной армией был официально назначен Б. П. Шереметьев, при фактическом руководстве самого Петра I. Наступление на Нотебург началось 22 сентября (3 октября) 1702 г. На р. Назии к основным силам присоединились части корпуса П. Апраксина, еще летом действовавшего в шведской Ингерманландии. Осада началась 27 сентября (8 октября). Русские войска разбили лагерь на левом берегу р. Невы (в районе современного Преображенского кладбища, г. Шлиссельбург, ул. Красный тракт, 15). Численность русской армии составила 16 000 пехоты и 5000 конницы, при 52 осадных орудиях.

29 сентября (10 октября) русскими войсками по суше из Ладожского озера в Неву было перемещено около 50 малых судов.

1 (12) октября солдатами Преображенского и Семеновского полков был взят шанец на правом берегу и окружение вражеской крепости было завершено. Попытка шведов сбить правобережный русский заслон 2 (13) октября завершилась для шведов неудачно. В крепость смогли пробиться только 50 человек.

1 (12) октября, после неудовлетворительного ответа на российский ультиматум, началась многодневная бомбардировка Нотебурга. Всего русской артиллерией по крепости было выпущено около 15000 ядер и бомб. Было серьёзно повреждено несколько башен.

Приступ начался 11(22) октября в 2 часа ночи и продолжался 13 часов. Из-за неполного разрушения крепостных укреплений, а также из-за просчетов в техническом оснащении атакующих, штурмовой отряд, состоящий из гвардейских частей, понес значительные потери. Только благодаря стойкости и самоотверженности многих своих солдат и офицеров российским войскам удалось зацепиться за берег крепостного острова. Среди штурмующих особо отличился командир отряда «охотников» (добровольцев) Семеновского полка подполковник Михаил Михайлович Голицын, который пресек попытку отступления русских с острова.  В решающий момент на остров прибыло подкрепление во главе с гвардейским поручиком Александром Даниловичем Меншиковым. В результате шведская сторона запросила перемирие и пошла на почетную капитуляцию. 14(25) октября остаткам шведского гарнизона было позволено со знаменами, четырьмя пушками, музыкой, захватив с собой жён и детей, покинуть крепость. Русские войска в ходе осады потеряли убитыми 509 человек и раненными 928 солдат и офицеров. Шведская сторона потеряла около 200 человек убитыми и 928 раненными.

Взятие Нотебурга стало первой крупной победой российских вооруженных сил в Северной войне. Получение контроля над этой крепостью имело решающее значение в борьбе за возвращение берегов Невы. Петр I, отмечая успех русского оружия писал: «Правда, что зело жесток был сей орех, однако, слава Богу счастливо разгрызен». Государь переименовал Нотебург в Шлиссельбург («город-ключ») в знак того, что крепость стала ключом к Балтийскому морю – главной цели России в войне.