Начав в 1700 году войну со Швецией, Петр I поставил своей целью овладеть берегами Финского залива, жизненно необходимыми для развития русского государства. В 1703 году у устья Невы, отвоеванной у шведов, был основан Петербург - столица Российской империи. Теперь для обеспечения его безопасности необходимо было овладеть Карельским перешейком с Выборгом - основной шведской крепостью на северном побережье Балтийского моря и Финского залива.

Осенью 1706 года русские войска предприняли поход на Выборг. Однако мощные укрепления шведов устояли против сильного натиска. Петр I извлек из неудачи необходимые уроки и вскоре стал строить флот, чтобы взять хорошо защищенную Выборгскую крепость комбинированными действиями сухопутных войск и флота. После победы под Полтавой, где в 1709 году были разбиты главные шведские силы, начались решительные действия на Карельском перешейке.

В марте 1710 года по приказу Петра I, тридцатитысячный осадный корпус под начальствованием генерал-адмирала Ф. М. Апраксина совершил переход по льду Финского залива с острова Котлин к стенам Выборга и осадил крепость. "В самый ужасный мороз, какой только бывает в России, - писал тогда посол датского короля Юст Юль, - перешли они прямо через лед с орудиями и со всем обозом. Всякая другая армия, наверно, погибла бы при подобном переходе". На помощь сухопутным силам в апреле, с трудом пробившись через покрытый еще льдинами залив, Петр I привел к Выборгу флот из 250 парусных и гребных судов. И этот небывалый по трудности поход окончился "счастливо как для флота, так и для армии", по выражению датского посланника.
Петр I сам руководил осадой города, который, как он заявил, должен был стать "крепкой подушкой" Петербургу. 12 июня 1710 года подавленный бомбардировкой гарнизон крепости капитулировал, не ожидая штурма. 13 июня в Выборг вошли русские войска. В честь этого события была выбита специальная медаль. Оценивая значение взятия Выборгской крепости, Петр I подчеркивал, что "чрез взятие сего города Санкт-Петербургу конечное безопасение получено".
Заключенный со Швецией в 1721 году Ништадтский мирный договор закрепил за Россией выход к Балтийскому морю, положил конец шведскому господству на Карельском перешейке. По словам Карла Маркса, Петр "завладел лишь тем, что было абсолютно необходимо для нормального развития его страны".

С 1710 по 1811 год Выборг и окружающие его земли непосредственно входили в состав России. Первоначально была образована Выборгская провинция (Выборгский и Кексгольмский округа), простиравшаяся на юге до Невы. Наряду с Петербургом, Выборг стал важным портом, через который началась торговля с западными государствами, преимущественно с Англией и Голландией. Увеличивалось население города, в том числе за счет интенсивного притока русских; в середине XVIII века возникли новые, чисто русские предместья - Выборгский (ныне Петровский поселок) и Петербургский форштадты, открыты первые русские школы, театр, госпиталь. Почти все существующие до сих пор старые здания города были выстроены в тот период, когда Выборг входил в состав Российской империи. Лишь несколько построек (замок, башня и некоторые другие) сохранились от времен шведского владычества.
Заботясь об укреплении северо-западных границ, Петр I сразу же после взятия Выборга приказал коменданту города Чернышеву восстановить пострадавшие при осаде старые оборонительные сооружения и начать строительство новых. Тогда-то на подступах к городу и были возведены Тронгзундские, а в 30 - 40 годах XVIII века - Аннинские укрепления, прикрывавшие Выборг с моря и со шведской стороны.
Победа в войне со шведами в 1741-1743 годах дала России возможность еще дальше отодвинуть границу от Петербурга и перенести ее на реку Кюммене. К России отошли Кюммене-городская провинция и часть Саволакской. Они вместе с ранее возвращенными землями образовали новую губернию, центром которой стал Выборг.
Численность жителей города увеличилась с 1420 человек в 1718 году почти до 3000 человек в 1811 году.