Угроза скорой смерти императора разделила семью и двор на четыре группировки, каждая из которых сплотилась соответственно вокруг царевны Елизаветы, царицы-инокини Евдокии Лопухиной, малолетнего голштинского герцога – сына царевны Анны Петровны и императорской невесты – княжны Екатерины Долгорукой. Ходили слухи, что Долгорукие хотят обвенчать Екатерину с больным царем прямо у него в спальне. Такой исход устроил бы и некоторых иноземных послов, не желавших воцарения наследника Голштинии, так как в серьезные перспективы коронации царевны Елизаветы тогда еще никто не верил. Но на венчание лежащего на одре тяжело больного Петра все же не решились. Против этой процедуры резко выступал А. И. Остерман, а противоречить ему Долгорукие не могли, так как его влияние на государственные дела было слишком велико. К тому же у императора выступила оспенная сыпь, и ему стало легче. Доктора надеялись, что кризис миновал и Петр останется жить, хоть и с обезображенным оспой лицом.

Однако вскоре царю снова стало хуже, и уже никто не сомневался, что конец близок. Все Долгорукие собрались в Головинском дворце, где жила императорская невеста со своим отцом – князем Алексеем Григорьевичем и его семейством. Долгорукие решили стоять за Екатерину в качестве наследницы престола. Друг друга успокаивали аргументами, что она хоть и не венчанная жена, но все-таки обручена с императором. Участвовать в афере отказались фельдмаршал Василий Владимирович Долгорукий и его брат Михаил. Оба покинули дворец и отбыли домой. Но князья Василий Лукич, Сергей Григорьевич и Алексей Григорьевич Долгорукие не отступились. Они так не хотели потерять власть, что решились на подлог. Ими были составлены два экземпляра фальшивого завещания Петра II, в котором он якобы назначал своей преемницей княжну Екатерину. Но кто подпишет эти бумаги? И тут молодой фаворит императора – князь Иван – объявил, что не раз в шутку копировал почерк и подпись Петра и может легко за него расписаться. На том и порешили. Один экземпляр «завещания» Иван подписал именем «Петр», но другой экземпляр, опасаясь разоблачения, надеялись подсунуть на подпись самому царю, когда тот придет в сознание и «будет в состоянии».

Но Петр II в сознание так и не пришел. Две недели его молодой организм сопротивлялся болезни, но 18 января Петру стало значительно хуже, началась агония. В бреду он все звал к себе Андрея Ивановича Остермана, будто хотел сказать ему что-то важное. Во втором часу ночи с 18 на 19 января он произнес поразившие и испугавшие всех присутствовавших слова: «Запрягайте сани, хочу ехать к сестре», – и дыхание его оборвалось. Император Петр Алексеевич умер в возрасте 14 лет и трех месяцев, не оставив после себя прямых наследников.

Самую жесткую характеристику Петру II и его царствованию дал известный историк Н. И. Костомаров:

«Петр II не достиг того возраста, когда определяется вполне личность человека, и едва ли история вправе произнести о нем какой-нибудь приговор. Хотя современники хвалили его способности, природный ум и доброе сердце – все, что могло подавать надежду увидать хорошего государя, но таким восхвалениям нельзя давать большой цены, потому что то были одни надежды на хорошее будущее. В сущности, поведение и наклонности царственного отрока, занимавшего русский престол под именем Петра Второго, не давали права ожидать от него со временем талантливого, умного и дельного правителя государства. <…> Конечно, нельзя утверждать, что было бы так наверное, а не иначе, потому что случаются неожиданные события, изменяющие ход вещей. Таким случайным неожиданным событием и явилась на самом деле рановременная кончина Петра Второго, которую можно, по соображениям, считать величайшим счастием, посланным свыше для России: смерть юноши-государя все-таки была поводом к тому, что Россия снова была двинута по пути, проложенному Великим Петром, хотя с несравненно меньшею быстротою, энергиею и ясностию взглядов и целей».