Через день после вынесения приговора, 26 июня, царевич, содержавшийся в Трубецком раскате Петропавловской крепости, неожиданно умер. Впрочем, в этой смерти было столько же неожиданности, сколько в смерти Петра III, Ивана Антоновича и Павла I.
Как умер царевич Алексей, мы, вероятно, не узнаем никогда. В «Записной книге Санкт-Петербургской гарнизонной канцелярии» есть запись за 26 июня: «Того ж числа пополудни в 6 часу, будучи под караулом в Трубецком раскате в гварнизоне, царевич Алексей Петрович преставился». Ганноверский резидент Вебер сообщал, что с царевичем, узнавшим о приговоре, случился апоплексический удар. Австрийский резидент Плейер в одном донесении повторяет это утверждение, но в другом сообщает, что ходят упорные слухи о смерти царевича от меча или топора. Голландский резидент де Би писал своему правительству, что Алексей умер «от растворения жил». Это донесение было вскрыто, канцлер Головкин и вице-канцлер Шафиров устроили форменный допрос де Би, и резидент выдал своего осведомителя – повивальную бабку М. фон Гуссе, которую вместе с дочерью и зятем допросили в крепости. Н. Устрялов, собравший все эти сведения, считает, что царевич умер, не выдержав пыток, которым его подвергали даже в день объявления приговора. Нельзя не сказать и еще об одном очень интересном документе – письме гвардии капитана А. И. Румянцева некоему Д. И. Титову о казни царевича. Письмо дошло до нас в копиях. Историки, как всегда в таких случаях, разделились: одни полагали, что письмо – позднейшая подделка, другие же считали его подлинным. Я, не располагая на этот счет какими-либо новыми (подтверждающими или опровергающими подлинность) сведениями, считаю, что принятая в нашем обществе манера критики публикаций, которых и в глаза не видел читатель, в высшей степени некорректна, и поэтому лучше привести если не все опубликованное последний раз в 1859 году письмо, то, по крайней мере, соответствующие сюжету пространные отрывки. Румянцев сообщал своему адресату, что после оглашения приговора «как царевич в те поры не домогал, то его к суду, для объявки приговора, не высылали, а поехали к нему в крепость: светлейший князь Александр Данилович, да канцлер граф Гаврило Головкин, да тайный советник Петр Андреевич Толстой, да я и ему то осуждение прочитали. Едва же царевич о смертной казни услышал, то зело побледнел и пошатался, так что мы с Толстым едва успели его под руки схватить и тем от падения долу избавить. Уложив царевича на кровать и наказав о хранении его слугам да лекарю, мы поехали к его царскому величеству с рапортом, что царевич приговор свой выслушал; и тут же Толстой, я, генерал-поручик Бутурлин и лейб-гвардии майор Ушаков тайное приказание получили, дабы съехаться к его величеству во дворец в первом часу пополуночи.
Недоумевая, ради коея вины сие секретное собрание будет, я прибыл к назначенному времени во дворец и был введен от дворцоваго камергера во внутренние упокой, где же увидел царя, седяща и весьма горююща, а вокруг его стояли: царица Екатерина Алексеевна, Троицкий архимандрит Феодосий от Александроневского монастыря (его же царь, зело уважая, за духовника и добраго советывателя имел), да Толстой, да Ушаков; а не было только Бутурлина, но и тот приездом не замедлил.
А как о нашем прибытии царю оповестили, ибо ему за многими слезами то едва ли видно самому было, то его величество встал и, подойдя к блаженному Феодосию, просил у него благословения, на что сей рек: „Царю благий, помысли мало, да не каяться будеши?“ А царь сказал: „Злу, отче святый, мера грехов его преисполнилась и всякое милосердие от сего часа в тяжкий грех нам будет и пред Богом и пред славным царством нашим. Благослови мя, владыко, на указ зело тяжкий моему родительскому сердцу и моли всеблагаго Бога, да простит мое окаянство“. Тогда Феодосии, воздев руки, помолился и, благословивши царя, глагола: „Да будет воля твоя, пресветлый государь, твори, яко же пошлет ти разум сердцеведец Бог“. Тогда царь приблизился к нам, в недоумении о воле его стоящим, и сказал: „Слуги мои верные, во многих обстоятельствах испытанные! Се час наступил, да великую мне и государству моему услугу сделаете. Оный зловредный Алексей, его же сыном и царевичем срамлюся нарицати, презрев клятву пред Богом данную, скрыл от нас большую часть преступлений и общенников, имея в уме, да сие последнее о другом разе ему в скверном умысле на престол наш пригодятся; мы, праведно негодуя за таковое нарушение клятвы, над ним суд нарядили и тамо открыли многия и премногия злодеяния, о коих нам и в помышлении придти не могло. Суд тот, яко же и вы все ведаете, праведно творя и на многие законы гражданские и от Св. Писания указуя, его, царевича, достойно к понесению смертныя казни осудил. Вам ведомо терпение наше о нем и послабление до нынешняго часа, ибо давно уже за свои измены казни учинился достоин. Яко человек и отец, и днесь я болезную о нем сердцем, но, яко справедливый государь, на преступления клятвы, на новыя измены уже нетерпимо и нам бо за всякое несчастие от моего сердолюбия ответ строгий дати Богу, на царство мя помазавшему и на престол Российской державы всадившему. Того ради, слуги мои верные, спешно грядите, убо к одру преступнаго Алексея и казните его смертию, яко же подобает казнити изменников государю и отечеству. Не хошу поругать царскую кровь всенародною казнию, но да совершится ей предел тихо и неслышно, яко бы ему умерша от естества, предназначеннаго смертию. Идите и исполните, тако бо хощет законный ваш государь и изволит Бог, в его же державе мы все есмы!“ Сие глаголиша, царь новыя тучи исполнися, и аще бы не утешение от царицы, да не словом в иноцех блаженнаго Феодосия, толико яко презельная горесть велий ущерб его царскому здоровью приключилась бы.
Не ведаю, в кое время и коим способом мы из царского упокоя к крепостным воротам достигли, ибо великость и новизна сего диковиннаго казуса весь ум мой обуяла, долго бы я от того в память не пришел, когда бы Толстой напамятованием об исполнении царскаго указа меня не возбудил. А как пришли мы в великия сени, то стоящаго тут часового опознавши, ему Ушаков, яко от дежурства начальник дворцовыя стражи, отойти к наружным дверям приказал, яко бы стук оружия недужному царевичу, беспокойство творя, вредоносен быть может. Затем Толстой пошел в упокой, где спали его, царевича, постельничий да гардеробный, да куханный мастер, и тех, от сна возбудив, велел немешкатно от крепостного караула трех солдат во двор послать и всех челядинцев с теми солдатами, яко бы к допросу, в коллегию отправить, где тайно повелел под стражею задержать. И тако во всем доме осталося нас четверо, да единый царевич, и той спящий, ибо все сие сделалось с великим опасательством да его безвремянно не разбудят. Тогда мы, елико возможно, тихо перешли темные упокой и с таковым же предостережением дверь опочивальни царевичевой отверзли, яко мало была освещена от лампады, пред образами горящей. И нашли мы царевича спяща, разметавши одежды, яко бы от некоего соннаго страшнаго видения, да еще по времени стонуща, бе бо, и в правду, недужен вельми, так что и Св. Причастия того дня вечером, по выслушании приговора, сподобился, из страха, да не умрет, не покаявшись во гресех, с той поры его здравие далеко лучше стало и по словам лекарей к совершенному оздравлению надежду крепкую подавал. И, не хотяще никто из нас его мирного покоя нарушати, промеж собою сидяще, говорили: „Не лучше ли-де его во сне смерти предати, и тем от лютого мучения избавити?“ Обаче совесть на душу налегла, да не умрет без молитвы. Сие помыслив и укрепись силами, Толстой его, царевича, тихо толкнул, сказав: „Ваше царское высочество! Возстаните!“ Он же, открыв очеса и недоумевая, что сие есть, седе на ложнице и смотряще на нас, ничего же от замешательства [не] вопрошая.
Тогда Толстой, приступив к нему поближе, сказал: „Государь-царевич! по суду знатнейших людей земли Русской, ты приговорен к смертной казни за многия измены государю, родителю твоему и отечеству. Се мы, по Его царскаго величества указу, пришли к тебе тот суд исполнити, того ради молитвою и покаянием приготовься к твоему исходу, ибо время жизни твоей уже близ есть к концу своему“. Едва царевич сие услышал, как вопль великий поднял, призывая к себе на помощь, но из этого успеха не возымев, нача горько плакатися и глаголя: „Горе мне бедному, горе мне, от царской крови рожденному! Не лучше ли мне родитися от последнейшаго подданного!“ Тогда Толстой, утешая царевича, сказал: „Государь, яко отец, простил тебе все прегрешения и будет молиться о душе твоей, но яко государь-монарх, он измен твоих и клятвы нарушения простить не мог, боясь, да в некое злоключение отечество свое повергнет чрез то, того для, отвергши вопли и слезы, единых баб свойство, прийми удел твой, яко же подобает мужу царския крови и сотвори последнюю молитву об отпущении грехов своих!“ Но царевич того не слушал, а плакал и хулил его царское величество, нарекая детоубийцею.