Прошло полгода, и в 1716 г. Петр из Дании потребовал у сына ответа и звал его к себе в том случае, если он раздумал идти в монахи. Под видом поездки за границу к отцу царевич выехал из России и отправился в Австрию к императору Карлу VI, у которого и просил защиты от отца. Карл скрыл его в Неаполе. Но в 1717 г. посланные Петром на розыски царевича Толстой и Румянцев нашли его и убедили добровольно вернуться в Россию. Алексей приехал в Москву в 1718 г. и в присутствии многочисленного народа, собранного во дворец, получил от отца прощение под условием, чтобы он отрекся от престола и назвал тех лиц, по совету которых он бежал. Царевич назвал их.

Следствие, наряженное над этими людьми, вскрыло всю обстановку прежней жизни царевича и дало такие результаты, каких Петр вряд ли ожидал. Он узнал о непримиримой вражде сына и к самому себе, и ко всей своей деятельности, узнал, что его сына окружали лица резко оппозиционного направления, что они настраивали Алексея со временем действовать против отца и что Алексей готов был на это. В то же время открылся ряд скандалов, в которых позорно участвовали родственные Петру лица и даже его первая жена. Розыск привел к суду, к строгим приговорам, много лиц было казнено; царица Евдокия заключена в Новой Ладоге. Хотя следствие не открыло заговора против Петра со стороны царевича, однако дало Петру полное юридическое основание взять назад свое прощение сыну и передать царевича суду как государственного преступника.

Суд состоял из высших сановников (более ста), допросил царевича и при допросах подверг его пытке. Результатом судебного следствия был смертный приговор царевичу. Но судьба не допустила привести его в исполнение: царевич, измученный страшными нравственными потрясениями и, быть может, пыткой, умер в Петропавловской крепости 27 июня 1718 г.

Петр лишился старшего сына. Младшие сыновья его от второго брака, Петр и Павел, умерли в младенчестве. Остался один внук Петр Алексеевич и дочери Анна и Елизавета; остались также племянницы Екатерина и Анна Ивановны. При таком положении своей семьи Петр в 1722 г. издал указ о порядке престолонаследия, которым отменялся прежний обычай наследования по семейному старшинству и устанавливался новый порядок: царствующий государь имеет право назначить своим наследником кого угодно и лишить престола назначенное лицо, если оно окажется недостойным. Этот закон Петра после его смерти не раз подвергал колебаниям судьбу русского престола, а сам Петр им не воспользовался. Он не назначил себе преемника; косвенным же образом, как думали, Петр указал на свою жену как на избранную наследницу: в 1724 г. Екатерина была коронована в Москве Петром весьма торжественно, в ознаменование ее заслуг перед государством и супругом.