На первом же допросе в страхе за свою жизнь царевич, чтобы выгородить себя, выдал отцу множество сообщников, которые тотчас были арестованы и допрошены «с пристрастием», т. е. под пытками. По результатам «сыска» многие из них были казнены, в том числе главный советчик царевича Кикин, Большой-Афанасьев, сопровождавший его за границу, дьяк Воронов и люди из «группировки» Евдокии Лопухиной – Степан Глебов, расстриженный епископ Досифей, Пустынский, Журавский и другие. Однако, как указывает Ф. Гримберг, «эта расправа с политическими противниками не приняла характер “всеобщего сыска”», поскольку «никаких “народных выступлений” в поддержку Алексея Петровича и его сторонников не произошло…». Сам царевич подписал 3 февраля отречение от престола, после чего был обнародован официальный манифест о лишении его права наследовать престол. В нем наследником был объявлен сын Екатерины – трехлетний Петр.

Опального царевича перевезли из Москвы в Санкт-Петербург и посадили под домашний арест. Радуясь, что остался жив, он просил царя только об одном: позволить ему жениться на Ефросинье, которую в апреле 1718 года после разрешения от бремени также доставили в Петербург. Однако ее показания на допросе Петру неожиданно дали делу новый ход. Перепуганная женщина рассказала о новом заговоре, который якобы готовил против царя Алексей. В связи с этим бегство царевича выглядело уже не как безобидный поступок сына, покинувшего страну ради того, чтобы избавиться от монастырского заточения, а как измена, а этого Петр не прощал никому, даже родному сыну. Кроме того, он понял, что среди его ближайших советчиков и «бородачей» из духовенства столько недовольных, что наказать их всех будет крайне затруднительно. И тогда Петр нашел поистине иезуитский ход: он направил письма духовным иерархам и светским чинам с просьбой вершить суд над царевичем, а судьями назначил вельмож, являвшихся главными подозреваемыми в заговоре. Лучшего решения проблемы трудно было найти. В результате каждый из судей, пытаясь оправдаться перед царем, перекладывал всю вину на других, а все вместе – на Алексея, отводя ему роль «жертвенного барашка».

14 июня 1718 года, на следующий день после объявления о суде над царевичем, он был заключен в Петропавловскую крепость, где на допросах неоднократно подвергался пыткам. Об одном из таких истязаний упоминает в своей книге «2000 лет. День за днем» Сергей Мерцалов: «Однажды крестьянин графа Мусина-Пушкина Андрей Рубцов видел, как Алексея завели в какой-то сарай, откуда потом раздавались крики и стоны. Рубцова, который рассказал это двум своим односельчанам, сослали на каторгу, а его собеседники были казнены за дерзкие рассуждения об этом событии. Неудивительно, что вскоре Алексей признается в том, что замышлял против царя заговор и собирался убить отца для того, чтобы самому занять российский престол. Это признание развязало следствию руки, и дело завертелось».

Следствие велось недолго, и уже 24 июня судьи в количестве 120 (!) человек вынесли царевичу смертный приговор. О том, что происходило в последующие дни вплоть до его смерти 26 июня, историки пишут по-разному. Одни, в их числе профессор Н. И. Павленко, считают, что приговор царевичу не был приведен в исполнение и что «через два дня он умер, видимо, вследствие пережитых нравственных и физических испытаний». Другие, в частности С. Мерцалов, указывают на факты, якобы свидетельствующие о том, что Алексей был казнен: «В день казни, в восьмом часу утра, в крепость приехал царь с девятью ближайшими сановниками. Опять пытки, опять требование признать, что признался не под пытками. Все это происходило после того, как смертный приговор был уже вынесен. Пытка продолжалась три часа. Царевича казнили в шесть пополудни». Еще об одной версии смерти Алексея, ссылаясь на дореволюционный источник, упоминает Ф. И. Гримберг: «В 1905 году в августовской книжке “Русской старины” было опубликовано сообщенное А. А. Карасевым письмо Александра Румянцева к Дмитрию Ивановичу Титову. Это письмо содержит подробное описание убийства царевича, тайно осуществленного по тайному же приказу царя Румянцевым, Толстым, Бутурлиным и Ушаковым. Имеется ли оригинал этого послания и где он хранится, мне неизвестно…»