Пётр I назначил ответственным за возвращение царевича на родину дипломата Петра Толстого. Он привёз в Неаполь послание от отца: «Обнадеживаю и обещаюсь Богом и судом его, что никакого наказания тебе не будет, но лучшую любовь покажу тебе, ежели воли моей послушаешь и возвратишься». Когда Алексей отказался вернуться, в ход пошли интриги, угрозы, и ему пришлось возвратиться на родину.
Первая встреча прошла мирно. Пётр просил сына покаяться в заговоре, выдать единомышленников и принять монашество. Но после допроса свидетелей ситуация изменилась. Прямых доказательств о причастности Алексея к заговору против государя найдено не было. Было недовольство и слёзные письма к европейским монархам с просьбой защитить, но никаких реальных планов.
Обвинители представили Алексея «ненавистником всех отцовских дел», использовав показания Ефросиньи: «Да он же, царевич, говаривал: когда он будет государем, и тогда будет жить в Москве, а войска-де станет держать только для обороны, а войны ни с кем иметь не хотел». Следствие без пыток тогда не существовало. Алексея как минимум три раза подвергали пытке кнутом на дыбе. В результате на основании выявленных фактов царевич был предан суду и как изменник осуждён на смерть.
Официально Алексей умер от остановки сердца 26 июня 1718 года, раскаявшийся и прощенный отцом. Ему было всего 28 лет. Отец лично хоронил сына в Петропавловском соборе крепости. Существуют версии, что его задушили в камере гвардейские офицеры Румянцев, Ушаков и Бутурлин, что его отравили или что он болел туберкулезом, а также что Пётр I сам убил сына в припадке ярости.
Дочь царевича Алексея Наталья умерла от чахотки в 14 лет. Сыну Петру было суждено стать императором Петром II, но его царствование длилось всего четыре года. Он был марионеткой в руках бояр и вёл разгульную жизнь. Но он успел посмертно реабилитировать своего отца, изъяв все осуждающие его документы и вернув ко двору бабушку Евдокию Федоровну Лопухину. После его смерти род Романовых прервался.
Тайна гибели старшего сына Петра I отчасти аналогична гибели старшего сына царя Ивана Грозного, который родился от первой жены царя Анастасии Романовой в 1554 году и воспитывался как наследник престола.
Он был женат три раза. Двух его первых жён царь сослал в монастырь, так как они не рожали царевичу детей. Царевичу Ивану эти отцовские решения не нравились, потому что третья жена Елена Шереметева, по некоторым свидетельствам, забеременела. По версии Карамзина, гибель царевича стала результатом гнева царя за его крамольные речи и он убил сына в гневе на его возражениями по поводу стратегии царя в 1581 году во время осады Пскова поляками:
«Он пришёл к отцу и требовал, чтобы тот послал его с войском изгнать неприятеля, освободить Псков, восстановить честь России. Иоанн в гневе закричал: „Мятежник! Ты вместе с боярами хочешь свергнуть меня с престола!“ После чего нанёс сыну своим посохом роковую рану».
Но эта версия гибели царевича ничем не подтверждена, а скомпилирована Карамзиным из нескольких источников. По сообщению Псковского летописца, «говорят некоторые, что сына своего царевича Ивана потому (царь) жезлом поколол, что тот начал говорить о выручении города Пскова».
По версия иезуита Поссевина, посланного римским папой Григорием XIII с целью добиться примирения между Россией и Польшей: «…царевич вступился за жену… Царь посетил сноху, когда она была на сносях, не предупредив её. Увидев, что она лежит в одном исподнем, он начал бить её. Вошедший в комнату сын бросился на защиту супруги, за что и получил смертельный удар в голову, потому, что, пытаясь удержать отца, Иван укорял отца весьма обидными словами: что царь для того бьёт его супругу, чтобы у неё случился выкидыш и царевич не имел наследника».
Всё в совокупности выглядит не очень правдоподобным, но может существовать в качестве версий. Однако современники не подтверждали, что удар жезлом по голове послужил непосредственной причиной смерти царевича. Французский наёмник Жак Маржерет утверждал, что наследник престола хотя и получил от отца в голову, но умер не от этого, а спустя какое-то время, в паломничестве по монастырям.
Дореволюционный археограф Николай Лихачёв обнаружил письмо Ивана Грозного боярину Захарьину-Юрьеву и дьяку Щелкалову, из которого явствует, что царевич был болен длительное время, а по версии об убийстве от удара по голове до его смерти прошло всего пять дней.