Присутствуя в сильный мороз 6 января 1725 г. на церемонии Крещения, он простудился ещё больше и 16 января сделался безнадёжным. 16 января наступило ухудшение, появился «сильный озноб», царь слёг в постель. По выражению историка Е.Ф. Шмурло, «смерть простучала в царские двери».
Лечивший императора лейб-медик Блюментрост обратился за советом к знаменитым в то время европейским врачам Герману Бургааву в Лейдене и Эрнсту Шталю в Берлине; кроме того, собрал на консилиум всех врачей, находившихся в Петербурге. Но ничто не помогало. Наступила острая задержка мочи. Приступ следовал за приступом. Пётр I испытывал страшные мучения. Однако некоторые врачи не теряли надежды на спасение и пытались вселить её в окружающих. Так, практиковавший в Петербурге итальянский врач Аццарити уверял придворных, что болезнь вполне излечима и царь в скором времени вновь займётся государственными делами. Действительно, ночь с 20 на 21 января прошла спокойно, лихорадка прошла, и «очищения стали более правильные».
К 22 января лихорадка отступила, однако больного беспокоили общая телесная слабость, резкая головная боль. 23 января состоялась «операция» (возможно, пункция или высокое сечение мочевого пузыря), в результате которой было извлечено около двух фунтов гнойной мочи. Боль во время приступов в эти дни была столь сильна, что крики императора слышались не только во дворце, но и по всей округе. «Приступы», о которых упоминали современники, наиболее вероятно, являлись эпизодами острого нарушения мочеиспускания вследствие стриктуры (сужения) уретры. Блюментрост и Бидлоо не отходили от постели больного.
25 января при катетеризации мочевого пузыря было извлечено около литра гнойной, зловонной мочи. Измученный болезненной процедурой, император ненадолго заснул, но вскоре с ним «сделался обморок». На следующий день начался новый приступ лихорадки, сопровождавшийся судорогами, во время которых больной терял сознание. 26 января, приободрившись, Пётр I попросил есть, но во время приёма пищи у него неожиданно возник судорожный приступ, он потерял сознание на два с лишним часа, после чего император утратил способность говорить и владеть правыми конечностями.
Скончался император 28 января 1725 г. после ужасных мучений.
Хронология предсмертных страданий Петра I приведена в «Истории Петра» А.С. Пушкина:
«16-го января Пётр начал чувствовать предсмертные муки. Он кричал от рези.
22-го исповедовался и причастился. Все петербургские врачи собрались у государя. Они молчали; но все видели отчаянное состояние Петра. Он уже не имел силы кричать и только стонал, испуская мочу.
26-го к вечеру ему стало хуже. Его миропомазали.
27-го присутствующие начали с ним прощаться. Он приветствовал всех тихим взором. Потом произнёс с усилием: „после“… Все вышли, повинуясь в последний раз его воле. Он уже не сказал ничего. 15 часов мучился он, стонал, беспрерывно дёргая правую свою руку, левая была уже в параличе. Пётр перестал стонать, дыхание остановилось — в 6 часов утра 28 января Пётр умер на руках Екатерины.
2 февраля труп государя вскрыли и бальзамировали. Сняли с него гипсовую маску».
При вскрытии нашли «затвердение в шейке мочевого пузыря и антонов огонь» (воспаление). Н. Куприянов считает, что, вероятнее всего, смерть последовала от воспаления мочевого пузыря, перешедшего в гангрену, и от задержки урины (мочи).
В. Рихтер посвятил отдельную главу своего капитального труда по истории медицины России врачебным замечаниям о последней болезни и кончине Петра Великого. Он писал: «Многие иностранные врачи почитают ложно каменную болезнь причиной кончины его, последовавшей 28 января 1725 г. Рассечение (вскрытие. — Б.Н.), учинённое по смерти его, разрешило все сомнения, поелику никак не могли найти камней. Другие авторы столь же несправедливо приписали болезнь его последствию сифилитической фазы. Большая часть иностранцев полагают главной причиной чирей около мочевого пузыря. Самое же нелепое, однако, есть мнение тех, кои полагают причиной последней болезни Петра Великого яд, данный ему ещё во время юности. Обстоятельное и справедливое описание болезни и кончины императора Петра Великого принадлежит академику Штелину (опубликовано на немецком языке в Лейпциге в 1785 г. — Б.Н.), позаимствовавшему их из уст гоф-хирурга Паульсона, который под присмотром Блюментроста пользовал императора».
В последние годы болезнь и смерть Петра I вновь привлекли к себе внимание исследователей. Так, Г.М. Яковлев, И.Л. Аникин и С.Ю. Трохачёв пишут в «Военно-медицинском журнале» (1990, № 12): «История болезни царя, видимо, не сохранилась до наших дней (речь идёт, очевидно, о той истории болезни, с которой ещё в 1715 г. молодой Блюментрост по совету Р. Эрскина отправился в страны Западной Европы, чтобы узнать мнение знаменитых европейских медиков о болезни императора. — Б.Н.), но имеются отзывы на неё трёх известных европейских специалистов: Бернарда Альбина (1653–1721), Иоганна Брейна (1680–1764) и Иоганна Бруннера (1653–1727). Консультанты пришли к выводу о наличии у Петра I „ипохондрии, цинги, изнурения тела, меланхолии и застоя крови“». Переводя эти диагнозы на язык современной медицины, авторы статьи считают, что вероятнее всего, речь идёт о хроническом гепатите, наличие которого косвенно подтверждается успешным лечением минеральными водами; возможным причинным фактором этого заболевания служило регулярное употребление спиртных напитков. Что же касается непосредственной причины смерти, то они предполагают либо аденому предстательной железы, приведшую в своей заключительной стадии к острой задержке мочеиспускания и развитию уремии (мочекровию), либо стриктуру уретры, развившуюся вследствие воспалительного процесса. При этом авторы решительно опровергают утверждения некоторых иностранных медиков, в частности Р. Голдвина, о том, что будто бы придворные врачи подозревали у Петра I сифилис, от которого он якобы лечился в 1706–1708 гг. препаратами ртути, и столь же решительно поддерживают мнение В. Рихтера, давшего, по их словам, «блестящую, высокопрофессиональную отповедь сторонникам вышеупомянутой точки зрения».