Семнадцатого июня собрался верховный суд, состоявший из сенаторов, министров, генералов гвардейского штаба, словом, из всех лично преданных царю лиц. Лоос, саксонский посланник, утверждает, что сам Пётр выступил в суде прокурором против своего сына и будто царевич явился в суд с твёрдостью или гордостью, превосходившей ожидания. Этому трудно верить.
Суд рассмотрел итоги следствия и подверг обвиняемого новым допросам. Последние показания царевича обвиняли Лопухина и Иакова Игнатьева. Было доказано, что они желали смерти царя. Этих несчастных пытали, в августе их приговорили к смерти, а в декабре 1718 их казнили вместе с другими, оставшимися ещё в живых от московского побоища.
Девятнадцатого июня главный обвиняемый наследник престола, сын царя, был в первый раз подвергнут пытке частным образом в присутствии немногих лиц. Его принудили подтвердить его прежние показания. Состоялась очная ставка Алексея с Иаковом Игнатьевым. Духовный отец и духовный сын должны были открыть то, что они когда-то доверяли друг другу в тайне церкви. Было дано двадцать пять ударов кнутом, как сказано в протоколе.
Двадцать первого июня после обеда Пётр послал Толстого в крепость задать Алексею несколько вопросов. На этот раз дело шло ни о пытке, ни о допросах, просто отец горестно порицал своего заблудшего сына. «Отчего не хотел он повиноваться? Отчего он своим упрямством принудил меня наказать его? Отчего он стремился к своему наследству незаконными путями, а не сыновним подчинением?»
Нужно ли видеть в этих вопросах голос природы, голос наболевшегося сердца, склонного к прощению? Были ли эти ласки только притворством, чтобы выманить новые признания? Мы склонны считать последнее предположение наиболее верным, потому что через три дня царевича опять подвергли пытке, очевидно, с целью добыть неизвестные ещё сведения.
Алексей отвечал в том же тоне, в каком его спрашивали — с меланхолическим сожалением, и довольно верно отозвался о самом себе. Он вспомнил своё прошлое, своё воспитание: «Я воспитан женщинами, в неге. Меня приучили только к увеселениям, к которым я уже был склонен по природе. Я вырос среди монахов и праздных людей, я только пьянствовал с ними и не мог принудить себя к труду. Я избегал своего отца, я его боялся, его присутствие было для меня несносно. Он посылал меня за границу, но я там не исправился... Моё упрямство было сильнее моего страха, внушённого отцом. Когда я отказался получить моё наследство сыновним послушанием, то задумал достать его с помощью иностранцев. Я решился просить у австрийского императора войска, платить им и не отступать ни перед чем, лишь бы достигнуть русской короны».
24 июня царевича снова подвергли пытке. Дано было 25 ударов, как сказано в протоколе.
Но страдалец истощён. От него не получают почти никаких показаний. Вечером того же дня верховный суд собрался в составе ста двадцати семи человек. Суд объявил царевича виновным в ложных показаниях, а также в том, что он надеялся на восстание народа, замышлял -заговор с целью погубить отечество, своего царя и отца при помощи иностранного оружия. Все эти преступления признаны им самим и подтверждены допросами других. Суд единогласно приговорил царевича к смертной казни.
Все сто двадцать семь членов суда подписали приговор, за исключением одного гвардейского унтер-офицера, не умевшего писать.
Лоос сообщил своему двору, что, выслушав смертный приговор, Алексей просил Толстого устроить ему свидание с Афросиной и позволить ему перед смертью проститься с ней. Если это правда, то измена его любовницы, должно быть, не уменьшила его страсти к ней. Лоос полагает, что царевич помешался перед смертью.
Двадцать четвёртого июня царевича, приговорённого к смерти, возвратили в Петропавловскую крепость, а приговор представили царю на утверждение. На третий день, двадцать шестого июня 1718 г., около семи часов вечера, раздался колокольный звон в крепости. В городе распространился слух, что царевич Алексей умер от апоплексического удара. Сначала в этом сомневались, а потом поползли сотни зловещих слухов. О трагическом конце Алексея говорили разное.