К этому времени царь был уже сильно недоволен сыном. Его раздражало как пристрастие Алексея к вину, так и его общение с людьми, которые составляли скрытую оппозицию Петру и его политике. Особую ярость царя вызвало поведение наследника перед экзаменом, который Алексей должен был сдать после возвращения из-за границы в 1713-м. Царевич так боялся этого испытания, что решил прострелить себе левую руку и таким образом избавить себя от необходимости делать чертежи. Выстрел оказался неудачным, руку только опалило порохом. Петр пришел в такой гнев, что жестоко избил сына и запретил ему появляться во дворце.

В конце концов царь пригрозил лишить Алексея наследственных прав, если он не изменит своего поведения. В ответ Алексей сам отказался от престола не только за себя, но и за новорожденного сына. «Понеже вижу себя, – писал он, – к сему делу неудобна и непотребна, также памяти весьма лишен (без чего ничего возможно делать) и всеми силами умными и телесными (от различных болезней) ослабел и непотребен стал к толикого народа правлению, где требует человека не такого гнилого, как я. Того ради наследия (дай Боже Вам многолетнее здравие!) Российского по вас (хотя бы и братца у меня не было, а ныне, слава Богу, брат у меня есть, которому дай Боже здоровья) не претендую и впредь претендовать не буду». Петр I остался недоволен таким ответом и еще раз призвал сына или изменить поведение, или постричься в монахи. Царевич посоветовался с ближайшими друзьями и, услышав от них многозначительную фразу о том, что «клобук к голове не прибит будет», согласился на постриг. Впрочем, царь, отбывавший за границу, дал Алексею на раздумья еще полгода.

Именно тогда у царевича созрел план бежать за границу. Ближайшим помощником царевича стал бывший приближенный Петра I Алексей Васильевич Кикин. В сентябре 1716-го Петр прислал сыну письмо, где приказывал немедленно прибыть в Копенгаген для участия в военных действиях против Швеции, и Алексей решил воспользоваться этим предлогом, чтобы скрыться без помех. 26 сентября 1716 г. вместе с любовницей Ефросиньей Федоровой, ее братом и тремя слугами царевич отбыл из Петербурга в Либаву (ныне Лиепая, Латвия), откуда через Данциг направился в Вену. Такой выбор был неслучайным – император Священной Римской империи Карл VI, резиденция которого находилась в Вене, был женат на сестре покойной супруги Алексея. В Вене царевич явился к австрийскому вице-канцлеру графу Шенборну и попросил предоставить ему убежище. В знак благодарности за гостеприимство Алексей предлагал австрийцам следующий план: он, Алексей, дожидается в Австрии смерти Петра, а затем с помощью австрийцев занимает русский престол, после чего распускает армию, флот, переносит столицу из Петербурга в Москву и отказывается от ведения наступательной внешней политики.

В Вене этим планом заинтересовались, однако открыто предоставлять приют беглецу не рискнули – ссориться с Россией в планы Карла VI не входило. Поэтому Алексея под видом преступника Кохановского отправили в тирольский замок Эренберг. Оттуда он по тайным каналам отправил в Россию несколько адресованных влиятельным представителям духовенства писем, в которых осуждал политику отца и обещал вернуться страну на старый путь.

Между тем в России начались розыски беглеца. Петр I приказал русскому резиденту в Вене Веселовскому во что бы то ни стало разыскать царевича, и тот довольно скоро выяснил, что местопребыванием Алексея является Эренберг. Одновременно русский царь вступил в переписку с Карлом VI, требуя вернуть Алексея в Россию «для отеческого исправления». Император уклончиво ответил, что об Алексее ему ничего не известно, но, видимо, дальше решил не связываться с опасным беглецом, потому что Алексея решили отправить из пределов Австрии в крепость Святого Эльма возле Неаполя. Впрочем, русские агенты «вычислили» беглого царевича и там. В сентябре 1717 г. небольшая русская делегация во главе с графом П.А. Толстым явилась в Неаполь и начала уговаривать Алексея сдаться. Но тот был непреклонен и возвращаться в Россию не желал. Тогда пришлось пойти на военную хитрость – русские подкупили секретаря неаполитанского вице-короля, и тот «по секрету» сообщил Алексею, что австрийцы не собираются его защищать, планируют разлучить с любовницей и что в Неаполь уже едет сам Петр I. Услышав об этом, Алексей впал в панику и начал искать контактов со шведами. Но его успокоили – обещали, что ему будет разрешено жениться на любовнице и вести в России частную жизнь. Письмо Петра от 17 ноября, в котором царь обещал полное прощение, окончательно убедило Алексея в том, что все в порядке. 31 января 1718 г. царевич прибыл в Москву, а 3 февраля произошло его свидание с отцом. В присутствии сенаторов Алексей раскаялся в содеянном, а Петр подтвердил свое решение простить его, поставив лишь два условия: отказ от прав на престол и выдача всех сообщников, помогавших царевичу бежать. В тот же день Алексей в Успенском соборе Кремля отрекся от прав на трон в пользу своего трехлетнего сына Петра.