Допросы касались главным образом бегства, заграничного пребывания и письменных сношений его как с иноземными покровителями, так и со своими сторонниками в России. Евфросинья передала даже интимные разговоры, которые царевич иногда вел с нею об отце, о своих сторонниках, о своих намерениях и надеждах. Например, он выражал намерение, когда станет государем, то будет жить зиму в Москве, а лето — в Ярославле, Петербург же оставит простым городом, также и корабли держать не будет, а войско только для обороны, ибо войны ни с кем не хотел и т. п. По поводу воли Петра учинить наследником сына-младенца говорил: «Надеется отец мой, что жена его, а моя мачеха умна, а когда, учиня сие, умрет, то будет бабье царство! И добра не будет, а будет смятение: иные станут за брата, иные за меня». Показания Евфросиньи повели за собою новые, большею частью письменные допросные пункты самому Алексею: в отписках своих он отчасти сознавался, отчасти запирался.
Домогательства врагов царевича добыть уничтожающие его показания, таким образом, увенчались успехом. На их основании установлено было, что он не искренно отказывался от престолонаследия, а в действительности очень желал наследовать и не прочь был искать для того иноземной помощи, например цесарской; рассчитывал и на внутреннюю смуту, т. е. на массу недовольных петровскими жестокостями и преобразованиями, особенно на духовенство и даже на армию, и хотя никакого злодеяния не замышлял против отца, но ожидал скорой его смерти на основании разных соображений, например частых недомоганий, видений и прорицаний.
Великий Преобразователь с свойственной ему плодовитостью в мае и июне сочинил по сему поводу несколько обращений к народу, к духовным и гражданским чинам. Главный смысл сих обращений заключался в том, что хотя он и обещал царевичу прощение, но будто бы под условием чистосердечного и полного во всем признания и раскаяния, а так как Алексей не исполнил сего условия, то прощение ему не в прощение. 14 июня он был взят под караул и посажен в Петропавловскую крепость, в Трубецкой раскат, где устроен был и пыточный застенок. Призванные дать свое мнение архиереи и другие духовные лица с митрополитом Стефаном Яворским во главе на сей раз дали достойный духовенства ответ в таком смысле: если государь захочет наказать сына, то найдет соответствующие тому примеры в Ветхом Завете, а если соблаговолит помиловать, то имеет тому образец в самом Христе, который сказал: «Милости хощу, а не жертвы». Чины гражданские и военные прежде, нежели дать ответ, решили непосредственно допросить в сенате как самого царевича, так и других подсудимых, т. е. Авраама Лопухина, Федора Дубровского, Никифора Вяземского, князя Василия Долгорукого и протопопа Якова Игнатьева. Лопухин, Дубровский, Игнатьев допрашивались под жестокими пытками. Ничего нового от них не узнали, повторялись все те же слухи и разговоры.
Кажется, розысками, московским и петербургским, пыточный материал для обвинений был уже собран в достаточном количестве. Но врагам Алексея Петровича этого было мало, ни его пострижение в монахи, ни его заключение их не удовлетворяли: им нужно было извести его, чтобы впоследствии он никоим образом не мог явиться претендентом на престол. И они решили извести его простым способом: пытками. Хотя царевич в конце концов сознался почти во всех возводимых на него обвинениях, тем не менее по приказу царя 19 июня 1718 года его привели в застенок и стали спрашивать: правду ли он показал на многих людей, т. е., собственно, на сказанные тем или другим слова, не поклепал ли кого? Например, правда ли, что «царевна Марья ведала о его побеге и говорила, что в (народе) осуждают отца, будто он мясо ест в посты и мать (Алексея) оставил». Или: правда ли, что князь Василий Долгорукий говорил: «Давай-де отцу писем хоть тысячу, когда-де что будет». Или: правда ли, что на исповеди он сказал своему духовнику Якову Игнатьеву, что желает отцу смерти, а тот ответил: «Бог тебя простит; мы-де и все желаем ему смерти». И такие «правда ли» повторяются почти о всех оговоренных лицах. Несчастного царевича вздернули на дыбу и отсчитали ему 25 ударов, чтобы получить от него подтверждение всех его показаний. Не довольствуясь тем, Петр спустя три дня посылает в крепость Толстого допросить царевича, по какой причине он не слушался отца и не боялся за то наказания, а наследия престола добивался «не послушанием, но иною дорогою». Как ни странны были подобные вопросы после стольких розысков и пыток, Алексей Петрович пишет на них ответы со ссылками на дурное влияние попов и чернецов, на свое злонравие и на свою преступную надежду получить вооруженную помощь от цесаря. Очевидно, если записи показаний верны действительности, царевич с отчаяния или по принуждению сам писал на себя все, что от него требовали его враги, только бы его более не мучили. Тщетная надежда. 24 июня его опять повели в застенок и дали 15 ударов, снова поставили вопросы: «Все ли написал правду, не поклепал ли кого, не утаил ли чего?»