Для Меншикова и Екатерины это означало одно — поражение в политической борьбе и справедливое возмездие. Поэтому для них пусть и отрёкшийся, но живой и здравствующий Алексей по-прежнему был опасен и потому должен был быть уничтожен.
Ведущую роль в расправе над царевичем сыграл глава Тайной канцелярии Пётр Андреевич Толстой — один из самых авантюрных, циничных и жестоких деятелей эпохи Петра Великого. Спустя два века его прямой потомок, граф Лев Николаевич Толстой, задумает написать роман о своём предке и начнёт собирать исторические материалы. И такое в этих материалах отыщет, что откажется от первоначального замысла — больно непривлекательный образ получался.
Проблема противников Алексея заключалась в наличии царского прощения за все его вины. После возвращения в Россию царевич находился под строгим контролем и никакого повода для нового преследования дать не мог. Но Толстой быстро нашёл возможность обойти это препятствие. Как уже упоминалось выше, после своего торжественного отречения в Кремле царевич дал отцу письменные показания, назвав тех, кто «побудил его к побегу». Показания были даны в виде ответов на вопросы, составленные царём, которые предваряли следующие условия:
«Понеже вчерась прощение получил на том, дабы все обстоятельства донести своего побегу и прочаго тому подобного, а ежели что утаено будет, то лишён будешь живота».
«А если что укроешь, а потом явно будет, на меня не пеняй: понеже вчерась пред всем народом объявлено, что сие пардон не в пардон».
Этим условием царь несколько отступал от своего обещания о полном прощении без всяких условий. Но тогда, в Москве, это отступление не грозило непосредственно царевичу, а сейчас начальник Тайной канцелярии увидел в нём возможность для расправы над Алексеем.
Закрытое было, дело началось снова и вошло в историю под названием «Петербургского розыска». Если прежде в Москве и Суздале царские следователи искали сторонников царевича, их связи, покровителей и т.д., то теперь розыск сосредоточился непосредственно на фигуре бывшего наследника. По своему характеру следственное дело царевича Алексея сильно напоминает политические процессы в СССР в 30-е годы — в распоряжении следователей Петра Андреевича Толстого практически не попали изобличающие царевича и его сторонников письменные документы или другие материальные улики. Только признания, выбитые часто под пытками. Хотя в XVIII веке пытка считалась легальным и допустимым инструментом следствия, но её применение было, как правило, довольно ограниченным — следствие уже тогда предпочитало опираться на материальные улики.
Так, например, в ходе расследования гибели царевича Дмитрия в далёком 1591 году боярин Василий Шуйский и его коллеги обошлись практически без пыток, но достаточно быстро и подробно восстановили картину событий. Следователи даже умудрились провести аналоги современных судебно-медицинской и материаловедческой экспертиз. По мнению специалистов, итоговый документ их работы во многом удовлетворяет даже современным нормам процессуального права.
Главной фигурой в следствии по делу Алексея стала его любовница крестьянка Ефросинья. Она вернулась в Россию значительно позже царевича (задержка была вызвана беременностью и родами) и сразу же была взята в оборот Тайной канцелярией. Современные исследователи полагают, что так называемые «показания Ефросиньи» были в действительности составлены Петром Толстым. Опытный интриган, он хорошо знал, что должен прочесть царь, чтобы позабыть о своём обещании сыну. Ефросинья очень мало говорит о конкретных фактах — «писал царевич письма и сенаторам, но каким не знает», но очень много — о высказываниях и настроениях Алексея. То есть о том, что практически невозможно проверить. Она сообщала, что царевич желал и ждал смерти отца, говорил о своих многочисленных сторонниках в России (но никого конкретно не называл), верил слухам о мятеже русских войск в свою пользу, писал с неясными целями австрийскому императору и даже шведскому королю, ругал отцовские преобразования и мечтал об отмене многих из них, не забывая упомянуть и о судьбе любимого детища Петра — Санкт-Петербурга.
Ловушка сработала. Алексей, отвечая на опросные пункты отца, назвал конкретные имена и события, но естественным образом умолчал о своих мыслях и чаяниях. Толстой и внушаемый им Пётр оценили это умолчание как утаивание и нераскаяние. Как пишет современный историк, ознакомившись с показаниями Ефросиньи, Пётр увидел царевича «не в образе любящего сына, а в образе человека, воспринимающего отца как личного врага, а его деятельность, то есть преобразовательные начинания, — как никому не нужную затею, с которой он тут же расстанется, как только займёт трон».