И, желая спасти свою жизнь, царевич пошёл на предательство. Он выдал всех своих соратников, назвал свыше 50 человек. Немедленно начались аресты и следствие (или, как тогда говорили, розыск). Царь решил изничтожить всю «воровскую компанию» сына. Для «выбивания» нужных показаний использовались разнообразные пытки, несчастные оговаривали себя и других, а число обвиняемых росло с каждым днём. Петру казалось, что открылся масштабный заговор. В марте 1718 года Москву потрясли жуткие казни. Главный организатор побега царевича, его ближайший товарищ А.В. Кикин, был подвергнут мучительному колесованию. Одновременно гнев царя обрушился и на головы последних непокорных родных: первой жены Евдокии – инокини Елены и сестры царевны Марии Алексеевны. По своей жестокости «дело царевича Алексея» может сравниться только с печально известным разгромом стрелецкого мятежа 1698 года.
Но даже своим малодушием царевич уже не мог заслужить доверие отца. Некоторые обвиняемые показали, что Алексей силой хотел захватить трон с помощью внутренних врагов и иностранной поддержки. Однако Пётр решил повременить с наказанием сына до появления «главного свидетеля».
18 марта двор вернулся в Петербург. Казалось, всё успокоилось, и ничего не подозревавший Алексей на Пасху 12 апреля отправился к мачехе Екатерине просить её ходатайствовать перед царём о позволении ему жениться на Евфросинье. Вместе с нею царевич хотел уехать из столицы и тихо жить в одной из своих деревень. Но как только Евфросинья, которая к тому времени готовилась родить ребёнка, приехала в Петербург, её немедленно арестовали и вместе с братом и тремя слугами, бывшими при Алексее за границей, заточили в Петропавловскую крепость. Следствие продолжилось. Напуганная всем происходящим, фаворитка Алексея рассказала обо всех его замыслах. Якобы Алексей вовсе и не думал уходить в монастырь, а хотел с помощью австрийских войск свергнуть отца и захватить трон. Это было прямое обвинение в государственной измене. В мае 1718 года сбивчивые и туманные показания Евфросиньи Пётр предъявил сыну во время их встречи в Петергофе, во дворце Монплезир. Сначала Алексей всё отрицал, но после очной ставки со своей возлюбленной не выдержал…
14 июня он был взят под стражу и заключён в Петропавловскую крепость. Здесь состоялось несколько допросов, сопровождавшихся жестокими пытками в присутствии самого Петра. Не выдержавший истязаний Алексей обвинил ещё нескольких сообщников и оговорил себя, признав все предъявленные обвинения. Решение об участи «изменника» царь передал на рассмотрение специального суда, состоявшего из двух курий – духовной и светской. Таким способом он хотел снять с себя ответственность за судьбу собственного сына и освободиться от ранее данного обещания помиловать его. Ответ церковников был уклончив: «Сердце царево в руце Божии есть», иными словами, как царь захочет, так и будет. Светские чины высказались более определённо: Алексей достоин только смерти. 24 июня смертный приговор царскому сыну был подписан 127 членами этого судилища. Не дождавшись его исполнения, 26 июня «в 7-м часу пополудни царевич Алексей Петрович в С.-Питербурхе скончался». Как он умер, мы уже, вероятно, так никогда и не узнаем. По одной версии, это была естественная смерть в результате нервного потрясения и физических мучений. По другой, Пётр приказал своим подручным тайно задушить сына. На следующий день как ни в чём не бывало Пётр торжественно отпраздновал очередную годовщину Полтавской победы.
Имя царевича Алексея стало символом для тех слоев общества, которые неприязненно относились к изменениям, происшедшим в жизни страны при Петре и его преемниках. А таинственная смерть царевича вызвала слухи о его «уходе в народ». Особенной популярностью Алексей пользовался у старообрядцев. С ним они связывали надежды на сохранение традиционных устоев, противопоставляли его «антихристу» – царю и считали своим сторонником. Вплоть до начала 1740-х годов появилось по крайней мере семь самозванцев, выдававших себя за Алексея. Все они окончили свои дни на дыбе или на плахе. Самое любопытное, что даже рано умерший сын Алексея – Пётр II воспринимался в народе (в том числе и раскольниками) как защитник и радетель за «правое дело». Поразительное расхождение между реальностью и идеализированными представлениями о ней!