Меж тем Петр назначил для него Верховный суд из 127 человек. Сюда вошли знатнейшие чины, начиная с князя Меншикова, генерал-адмирала графа Апраксина, канцлера графа Головкина, кончая капитанами и поручиками, из коих некоторые были совсем неграмотные. Верховный суд 24 июня единогласно приговорил царевича к смертной казни, что согласовалось, конечно, с волею самого царя.
Казалось бы, Петру оставалось или всем заведомо исполнить смертный приговор, или смягчить наказание, или совсем помиловать. Но он не сделал ни того, ни другого, ни третьего. Спустя два дня после приговора, а именно 26 июня в 7-м часу пополудни, царевич скончался. Таково было официальное известие. Но как и почему скончался, о том строго сохранялась непроницаемая тайна. А вследствие тайны было дано широкое поле для всякого рода слухов и догадок. Поэтому и явилось такое разнообразие в известиях современников и ближайшего потомства о смерти царевича. Так, ганноверский резидент Вебер в своем известном труде (Das Veranderte Russland) дает сентиментальный рассказ о том, что объявление смертного приговора вызвало у царевича апоплексический удар, что царь посетил умирающего сына, снисходя к его мольбам, дал ему прощение и благословил и ушел, заливаясь слезами. Австрийский резидент Плейер доносил своему начальнику, что царевичу отрубили голову мечом или топором. Голландский резидент Яков де Би доносил своему правительству, что Алексей Петрович умер от растворения жил. Английские записки Генриха Брюса сообщают, что ему поднесен был напиток с ядом. Сомнительное письмо Александра Румянцева к Д.Н.Титову повествует, как он, Румянцев, вместе с Бутурлиным, Толстым и Ушаковым задушили подушкою царевича по приказу царя. Наконец, в одном французском издании XVIII столетия приведено известие, будто сам царь топором отрубил голову сыну. Все приведенные сейчас известия о смерти Алексея более или менее недостоверны. Настоящий свет на эту трагическую кончину проливает «Записная книга С.-Петербургской гарнизонной канцелярии». Она лаконически отмечает, что 26 июня в 8-м часу пополуночи в крепости собрались сам царь, князь Меншиков, князь Долгорукий, Головин, Апраксин, Мусин-Пушкин, Стрешнев, Толстой, Шафиров и Бутурлин. «И учинен был застенок». В 11 часов власти разъехались, а в 6-м часу пополудни царевич Алексей Петрович преставился. В полном согласии с сим известием находятся «Поденныя записки делам князя Меншикова», которые говорят о том, как этот день провел светлейший, однако без упоминания о застенке. Во всяком случае более чем вероятно: царевич подвергся третьему пыточному розыску, и на сей раз смертельному. Чего еще, каких признаний от него могли добиваться его судьи и палачи, хотя и придумали новые вопросные пункты по поводу его выписок из Барония? Конечно, добивались уже не признания, а самой смерти. Только эта смерть могла упрочить наследие престола за маленьким сыном Екатерины и успокоить опасения за свою будущую судьбу как Екатерины, так и Меншикова. Тогда как первая показывала вид печали, последний даже не скрывал своего удовольствия после кончины царевича. Сам Петр по наружности оставался равнодушным, а на следующий день, 27 июня, день Полтавской победы праздновал дневным пиром и вечерними увеселениями. Тело царевича 28-го числа вынесли из крепости в ближний деревянный Троицкий собор. А 29-го Петр праздновал свои именины спуском нового корабля и пиром до поздней ночи. 30-го наконец торжественно похоронили Алексея в крепостном Петропавловском соборе рядом с его супругой Шарлоттой.
Розыск, т. е. допросы и пытки, и после смерти царевича продолжался с неослабной энергией и закончился только в декабре. Одни из подсудимых (Авраам Лопухин, Яков Игнатьев, Иван Афанасьев, Дубровский) были казнены, и отрубленные головы их воткнуты на железных спицах вокруг каменного столба. Другие биты кнутом с урезанием языка и рванием ноздрей. Евфросинья за ее предательство получила свободу вместе с частью Алексеева имущества, удостоилась милостей и, если верить одному известию, вышла замуж за офицера, служившего в том же Петропавловском гарнизоне.