4 февраля начались допросы Алексея. В «допросных листах» он подробно рассказал все о своих сообщниках, фактически свалив всю вину на них, и, когда их казнили, решил, что все худшее позади. С легким сердцем Алексей начал готовиться к свадьбе с Ефросинией Федоровой. Но она, возвращавшаяся в Россию отдельно от царевича по причине родов, была немедленно арестована и на допросах рассказала о возлюбленном столько, что фактически подписала ему смертный приговор. Теперь Петру стало ясно, что его сын не просто попал под влияние своего окружения, но и сам играл активную роль в заговоре. На очной ставке с Федоровой Алексей сначала отпирался, но затем подтвердил ее показания. 13 июня 1718 г. Петр I устранился от следствия, попросив у духовенства дать ему совет, как поступить с сыном-изменником, а Сенату приказав вынести ему справедливый приговор. Верховный суд из 127 человек решил, что «царевич утаил бунтовый умысел свой против отца и государя своего, и намеренный из давних лет подыск, и произыскивание к престолу отеческому и при животе его, чрез разные коварные вымыслы и притворы, и надежду на чернь и желание отца и государя своего скорой кончины». 25 июня под охраной четырех гвардейских унтер-офицеров царевич был доставлен из Петропавловской крепости в Сенат, где выслушал смертный приговор.
Дальнейшие события покрыты завесой тайны до сих пор. Согласно официальной версии, 26 июня 1718 г. в 18 часов Алексей Петрович внезапно скончался в возрасте 28 лет от «удара» (кровоизлияния в мозг). Но современные исследователи предполагают, что истинной причиной смерти Алексея стали пытки. Также возможно, что он был убит по приказу Петра I. Похоронили царевича в Петропавловском соборе в присутствии отца. Сын Алексея Петровича вступил на престол Российской империи в 1727 г. под именем Петра II и правил три года. В его царствование произошла официальная реабилитация Алексея.
Подобно многим историческим личностям со сложной и необычной судьбой, фигура царевича Алексея Петровича издавна была «лакомым кусочком» для исторических романистов, драматургов, поклонников