В Москве и Санкт-Петербурге начались аресты, названных царевичем лиц брали ночью и сразу же заковывали в кандалы и ошейник. С дыбы и с кнута добывали у них имена единомышленников, пособников и свидетелей. Давно уже застенки Преображенского приказа не видели такого скопления арестантов, и царь Петр удовлетворенно кивал: вот они, изменники, попались наконец-то!
Все месяцы, пока шел розыск, царевич так напивался, что в народе пошел слух, будто он помешался. Ни единым словом он ни за кого не вступился и только благодарно смотрел на отца за то, что его самого оставили в живых. Наказав виновных по суздальскому делу, Петр I весной 1718 года повелел царевича и тех, кто еще не был допрошен по вновь открывшимся на них подозрениям, перевезти в Санкт-Петербург и произвести над ними суд. В вещах Ефросиньи нашли черновики писем Алексея к Сенату и духовенству, а на розыске она показала: „Царевич из Неаполя цесарю жалобы на отца писал многажды… и наследства он, царевич, весьма желал и постричься отнюдь не хотел. Показала она и то, что царицу Екатерину с сыном предполагалось отправить туда, где находилась прежняя царица, которую следует вернуть в Москву“. Царь Петр опять помрачнел: значит, не обо всем рассказал ему Алексей, сын непотребный. Ну что ж, увидит он свою Ефросиньюшку на очной ставке! Перепуганная чухонка выложила все, как на духу, хотя знала, чем грозят царевичу ее признания. Она подробно описала все его житье-бытье за границей, все его страхи и ожесточение против отца; как он радовался слухам о мятеже русских войск, расквартированных в Мекленбурге; как ликовал, прочитав в газете, что заболел маленький Петр Петрович; как говорил, что забросит Санкт-Петербург и вернется в Москву, всех отцовских помощников переведет, а старых добрых людей возвысит, древние права церкви восстановит…
Царевича Алексея арестовали и посадили в Трубецкой бастион Петропавловской крепости, но целую неделю Петр не решался приступить к расправе. Он обещал простить сына и сохранить ему жизнь, и данное слово связывало царю руки. А раз так, пусть приговор вынесут другие люди, которые осудят царевича как изменника. Но духовные власти неохотно приступили к этому делу: сколько лет царь не спрашивал их мнения, а тут вдруг требует совета. И для чего? Чтобы их устами осудить собственного сына. Поэтому архиереи ответили уклончиво: привели цитаты из Ветхого завета о наказании непокорного сына, а также слова Иисуса Христа, советовавшего простить блудного сына. Но гражданские судьи оправдания царевича признали неудовлетворительными и объявили, что обязаны выполнить свой долг: невзирая на то, что царевич — сын их всемилостивейшего государя, допросить его „по принятой форме и с необходимым розыском“.
Первая пытка длилась более двенадцати часов, но новых показаний от него добиться не удалось. В другой раз царевичу дали пятнадцать ударов кнутом, на другой день — еще девять. Не стерпев мучений, он даже оговорил себя, будто просил у цесаря войско, чтобы отнять у отца престол. Однако в этих показаниях следствие уже не нуждалось, и гражданские чины единогласно объявили, что царевич достоин смертной казни. Приговор подписали 127 человек, и первым стояла подпись А. Д. Меншикова. Узнав о приговоре, царевич Алексей впал в беспамятство, но придя в себя, стал опять просить у отца прощение. Получив на рассмотрение приговор Верховного суда, Петр I не торопился ни утвердить его, ни отвергнуть. Он сам продолжил допросы и еще два дня ходил в Трубецкой бастион.
По официальной версии, „рассуждение такой печальной смерти столь сильно в сердце его (царевича Алексея. — Ред.)вкоренилось, что не мог он уже в прежнее состояние и упование паки в здравие свое придти и… по сообщении пречистых таинств скончался 1718-го года, июня 26 числа“. Тело его было выставлено у церкви Святой Троицы, и народ допустили к целованию руки покойного. Погребение происходило согласно высокому сану покойного. Тело положили в богато украшенный гроб, который накрыли черным бархатом и парчовым покрывалом. Правда, на панихиду 30 июня никто из присутствующих по повелению царя не надел траур. Погребли царевича в соборной церкви Святых Петра и Павла.
Однако сразу же после погребения стали распространяться слухи, что царевич умер после пытки, в которой будто бы участвовал сам Петр; другие предполагали смерть от волнения и т. д. Резидент австрийского императора Плейер сначала известил Вену, что царевич умер от апоплексического удара, но уже на другой день сообщал, что узника тайно обезглавили — не то топором, не то мечом — и что в крепость привозили какую-то женщину пришивать убитому голову. Голландский резидент де Би сообщал, что царевичу было сделано насильственное кровопускание до полной потери крови.