Алексей почувствовал, что все обстоятельства складываются против него, отказался от наследства и испросил разрешения выехать за границу для лечения. Отец пригрозил отправить Алексея в монастырь. Тот согласился, поставив тем самым Петра в тупик. В 1716 году Петр уехал на переговоры во Францию, так и не приняв никакого решения. Оттуда он прислал письмо, последний раз приглашая сына присоединиться к нему, — и Алексей воспользовался им как пропуском за границу.
Алексей сделал худшее из возможного — сбежал. В ноябре он появился в Вене и обратился к императору Карлу VI с просьбой о покровительстве. Разразился международный скандал. Русское правительство потребовало немедленной выдачи Алексея, угрожая начать войну с Австрией. Угроза была серьезной: к тому времени русская армия одержала несколько важных побед. Русский флот показал себя, разбив шведскую эскадру в Гангутском сражении, Англия признала завоевания России в Прибалтике и согласилась выступить против Швеции, Петр провел успешные переговоры во Франции. Вступать в новую войну из-за русских династических неурядиц, выгода от которых казалась сомнительной, в Европе не захотели. 14 октября 1717 года царевич Алексей, скрывавшийся в Италии, был выдан российским дипломатам. Ему обещали безопасность и везли в Россию со всем уважением, позволив не только посетить некоторые интересовавшие его места, но и встретиться с австрийским императором.
Но в России Алексея ждало другое. Нрав Петра был хорошо известен, и его показное спокойствие никого не вводило в заблуждение. Петр понимал, что царевич не мог действовать в одиночку, и надеялся в ходе следствия раскрыть и уничтожить всю оппозицию. 3 февраля 1718 года в Кремлевском дворце состоялась встреча отца и сына.
Царь обещал Алексею милость лишь в том случае, если он подтвердит свой отказ от престолонаследия и назовет всех своих сообщников. Алексей дал письменные показания, однако это было только начало. В марте 1718 года Алексей и Петр отправились в Петербург, и там-то дело приняло новый оборот — против царевича дала показания его любовница Ефросинья. Она сообщила, что царевич готовился отменить все отцовские реформы и покарать сподвижников Петра. После этого следствие велось с пристрастием. Алексея пытали и приговорили к смертной казни. Он не дожил до исполнения приговора и умер в камере 26 июня 1719 года.
Одновременно со следствием по делу Алексея велось другое — по обвинению в прелюбодеянии бывшей царицы Евдокии Лопухиной. Ее били кнутом и сослали в удаленный монастырь, любовника ее предали мучительной смерти. Фактической причиной расправы стали надежды Евдокии вернуться на трон.