26 июня 1718 года в Петропавловской крепости была зафиксирована его смерть. Позднее Н. Г. Устрялову удалось доказать, что после вынесения приговора его жестоко пытали. Однако вопрос о том, погиб он под пытками или был убит по приказу своего отца, остается открытым. Похороны Алексея проходили в Петропавловском соборе, и Пётр I проводил сына в последний путь. Реабилитировал царевича Алексея в 1727 году его сын император Пётр II.
На исповеди царевич Алексей признался своему духовнику Якову Игнатьеву, что порой в душе желает смерти своего отца. Священник попытался его утешить: «Бог простит, многие ему смерти желают». Принято считать, что мысли и желание убить отца возникли у Алексея под влиянием матери Евдокии Лопухиной, которую замуж за Петра I выдали по договорённости. О ней её деверь Борис Куракин писал: «И была принцесса лицом изрядная, токмо ума посреднего и нравом не сходная к своему супругу, отчего всё счастие своё потеряла и весь род свой сгубила… Правда, сначала любовь между ими, царём Петром и супругою его, была изрядная, но продолжалася разве токмо год. Но потом пресеклась; к тому же царица Наталья Кирилловна невестку свою возненавидела и желала больше видеть с мужем её в несогласии, нежели в любви. И так дошло до конца такого, что от сего супружества последовали в государстве Российском великие дела, которые были уже явны на весь свет…»
Через восемь лет после свадьбы Евдокия была лишена сына, звания царицы и пострижена в монахини. Это шаг являлся единственным выходом, чтобы сохранить жизнь и остатки чести. Из-за любви к матери навещавшему её в суздальском монастыре Алексею не раз доставалось от отца, а однажды он был избит им дубинкой. Царевич не смог понять и принять родительских разногласий.
Евдокия добавила к вине Алексея перед отцом ещё больше недоказанных обвинений. В церкви монастыря обнаружили записку, где её поминали не инокиней, а царицей: «Благочестивейшей великой государыней нашей, царицей и Великой княгиней Евдокией Фёдоровной» – и желали ей и царевичу Алексею «благоденственное пребывание и мирное житие, здравие же и спасение и во все благое поспешение ныне и впредь будущие многие и несчётные лета, во благополучном пребывания многая лета здравствовать». Этого было достаточно, чтобы обвинить их в заговоре.
После окончательно разрыва между родителями заниматься Алексеем было поручено сестре Петра I – царевне Наталье Алексеевне. Заметный вклад в воспитание царевича внес барон Гюйссен, который служил на дипломатическом поприще, был отличным юристом, занимался переводами правительственных документов и представлял Россию в европейских дворах.
Алексей проявил способность к наукам и к 18 годам знал два языка, преуспевал в математике, любил географию,