Павел вышел от матери в угнетенном настроении, которое он пытался поначалу скрыть от супруги. Но Наталья Алексеевна вынудила его объяснить причину неожиданной перемены настроения. Далее была разыграна классическая сцена, известная во все времена и не только театральным актрисам: великая княгиня довольно талантливо и с большим чувством изобразила оболганную невинность. Слезы, уверения в любви и преданности, доводы, что сказанное императрицей преследовало цель поссорить мужа с женой, убедили Павла в полной невиновности супруги. Павел легко поверил жене, тем более что его отношения с матерью никогда не отличались теплотой; взаимная неприязнь Екатерины и молодых супругов только усилилась. Противостояние молодой великой княгини и императрицы принимало все более острые формы, но развязка наступила неожиданно.
27 августа 1775 года после совместного посещения Екатериной и Натальей Троице-Сергиевой лавры императрица пишет барону Мельхиору Гримму: «Моления наши услышаны: великая княгиня беременна и здоровье ее, кажется, укрепилось». Узнав о беременности невестки, Екатерина II активно готовилась к рождению долгожданного внука. Императрица собиралась пригласить в качестве крестных своих соратников по первому разделу Польши – прусского короля Фридриха II и австрийскую императрицу Марию Терезию. Официальные прошения к монархам предполагалось отправить сразу же после родов.
В конце 1775 года находившийся в Москве царский двор перебрался в северную столицу. С марта великая княгиня не покидала внутренних покоев дворца и не появлялась на публике. При ней безотлучно находился Павел. В воскресное утро 10 апреля 1776 года, когда вся императорская фамилия находилась в загородной резиденции, Наталья Алексеевна почувствовала приближение родов. Испуганный Павел поспешил в комнату к матери с просьбой скорее прийти к жене, чтобы помочь ей. Екатерина II оставила подробное описание этого дня: «Богу так угодно было. Что делать! Но то сказать могу, что ничего не было проронено, что только человеческий ум и искусство придумать могли к спасению ее. Но тут было стечение различных несчастных обстоятельств, кои казус сей сделали почти единственным в свете».
Императрица в течение пяти дней почти безотлучно находилась при постели великой княгини. К вечеру воскресенья родовые схватки были так сильны, что ожидали разрешения от бремени. Однако этого не произошло. У Натальи Алексеевны были боли, «переменные со сном», затем она «заснула так крепко, что храпела». В тот же день, в воскресенье, как отмечает в своем дневнике Корберон, один из врачей заявил, что «в положении великой княгини он усматривает нечто угрожающее». Однако к этому мнению не прислушались, а медик был осмеян коллегами, хотя сама Наталья Алексеевна, как впоследствии писала императрица, «очень тревожилась» сложившимся положением.
У врачей не было единого мнения о способе лечения и спасения великой княгини. Ситуация не изменилась и на следующий день. Для участия в спасении великой княгини были привлечены медики Крузе и Тоди, чьими советами безуспешно пользовалась повивальная бабка. Тоди предложил использовать акушерские щипцы, но этот способ лечения был отвергнут другими врачами, и 12 апреля повивальная бабка заявила о невозможности что-либо сделать для роженицы. После этого врачи Тоди и Роджерсон настаивали на необходимости хирургического вмешательства и предлагали немедленно приступить к операции по извлечению ребенка для спасения жизни великой княгини, ибо младенец, по предположению врачей, был уже мертв. Однако по неизвестным причинам операция так и не была проведена.
Состояние здоровья великой княгини Екатерина II всячески скрывала. Как следует из дневника Корберона, еще утром 12 апреля императрица уверяла прибывшего в Петербург прусского принца Генриха, что о здоровье Натальи Алексеевны «нет состояния для беспокойства, так как положение ребенка вполне правильно». Но, успокаивая иностранных дипломатов, императрица прекрасно сознавала критическое положение своей невестки. Уже утром 13 апреля Екатерина II написала записку своему статс-секретарю Кузьмину: «Сергей Матвеевич. Дело наше весьма плохо идет, какою дорогою пошел дитя, чаю, и мать пойдет. Сие до времени у себя держи». В этот же день, в среду, хирург Тоди сделал кесарево сечение великой княгине. Однако время было упущено и хирургическое вмешательство ни к чему не привело: у Натальи Алексеевны начался сепсис от разложения умершего младенца. Спасти жизнь несчастной пытались еще два дня.
