20 декабря он участвовал в грандиозной попойке, устроенной по случаю избрания нового «князь-папы Всепьянейшего собора», а январь 1725 года начал особенно бурно, отгуляв на свадьбе своего денщика Василия Поспелова и на двух ассамблеях — у графа Толстого и вице-адмирала Корнелия Крюйса.
Особенно же поразил всех больной император, когда 6 января, в мороз, прошел во главе Преображенского полка маршем по берегу Невы, затем спустился на лед и стоял в течение всей церковной службы, пока святили Иордань, прорубь, вырубленную во льду. Все это привело к тому, что Петр сильно простудился, слег в постель и с 17 января стал испытывать страшные мучения. Эта болезнь оказалась последней в его жизни.
О диагнозе смертельной болезни Петра существует несколько версий. Французский посол в России Кампредон сообщал в Париж: царь «призвал к себе одного итальянского доктора, приятеля моего (доктора Азарити — В. Б.), с которым пожелал посоветоваться наедине». Далее Кампредон писал, что, со слов Азарити, «задержание мочи является следствием застарелой венерической болезни, от которой в мочевом канале образовалось несколько небольших язв».
Лечившие Петра врачи-немцы братья Блюментросты были против хирургического вмешательства, а когда хирург-англичанин Горн операцию все же провел, то было уже поздно и у Петра вскоре начался «антонов огонь», как в то время на Руси называли гангрену. Последовали судороги, сменявшиеся бредом и глубокими обмороками. Последние десять суток если больной и приходил в сознание, то страшно кричал, ибо мучения его были ужасными.
В краткие минуты облегчения Петр готовился к смерти и за последнюю неделю трижды причащался. Он велел выпустить из тюрьмы всех должников и покрыть их долги из своих сумм, приказал выпустить всех заключенных, кроме убийц и государственных преступников, и просил служить молебны о нем во всех церквах, не исключая и иноверческих храмов.
Екатерина сидела у его постели, не покидая умирающего ни на минуту. Петр умер 28 января 1725 года в начале шестого утра. Екатерина сама закрыла ему рот и глаза и, сделав это, вышла из маленькой комнатки-кабинета, или «конторки», как ее называли, в соседний зал, где ее ждали, чтобы провозгласить преемницей Петра.
Относительно диагноза последней болезни Петра мнения расходятся. Автор фундаментального труда «История медицины в России» В. Рихтер считал, что Петр умер из-за воспаления, вызванного задержанием мочи, не говоря о том, что было причиной воспаления. Другой видный историк медицины, Н. Куприянов, полагал, что смерть Петра наступила от воспаления мочевого пузыря, перешедшего в гангрену, и от задержания урины. И, наконец, небезынтересно и заключение, сделанное в 1970 году группой московских венерологов, изучавших все сохранившиеся документальные свидетельства о болезни и смерти Петра. Профессора Н. С. Смелов, А. А. Студницын, доктор медицинских наук Т. В. Васильева и кандидат медицинских наук О. И. Никонова пришли к заключению, что Петр «по-видимому, страдал злокачественным заболеванием предстательной железы или мочевого пузыря или мочекаменной болезнью», что и оказалось причиной его смерти.