Отношения отца к сыну особенно обострились ко времени кончины кронпринцессы Шарлотты. Несочувствие Алексея делу реформы было ясно для Петра и наводило его на тревожные мысли во время сильной продолжительной болезни, которою он занемог в 1715 году. Дело, которое, как ему казалось, он начал, которому он отдался весь, должно было погибнуть с его смертью. Петр решил объясниться с сыном откровенно и прямо. В день погребения кронпринцессы он лично вручил ему письмо, озаглавленное: «Объявление сыну моему». Обозрев успехи, достигнутые его собственным и «прочих истинных сынов российских» трудами в войне со шведами, которые для русских «разумным очам добрый завернули завес и со всем светом коммуникацию пресекли», царь продолжал: «Егда же сию Богом данную нашему отечеству радость рассмотряя, обозрюсь на линию наследства, едва не равная радости горесть меня снедает, видя тебя весьма на правление дел государственных непотребного (ибо Бог не есть виновен, ибо разума тебя не лишил, иже крепость телесную весьма отнял, ибо хотя не весьма крепкой природы обаче и не весьма слабой)… Я есмь человек и смерти подлежу, то кому вышеписанное с помощью Вышнего насаждение и уже некоторое возращенное оставлю? Тому, иже уподобился ленивому рабу евангельскому, вкопавшему талант свой в землю. Еще же и сие вспомяну, какого злого нрава и упрямого ты исполнен. Ибо сколько много за сие тебя бранивал, и не точию бранивал, но и бивал, к тому же сколько лет почитай не говорю с тобой; но ничто сие не успело, ничто пользует, но все даром, все на сторону и ничего делать не хочешь, только бы дома жить и веселиться… Что все я с горестью размышляя и видя, что ничем тебя склонить не могу к добру, за благо изобрел сей последний тестамент тебе написать и еще мало пождать, аще нелицемерно обратишься, ежели же ни, то известен будь, что я тебя весьма наследства лишу, яко уд гангренный, а не мни себе, что один ты у меня сын, и что я сие только в устрастку пишу. Воистину (Богу извольшу) исполню, ибо я за мое отечество и люди живота своего не жалел и не жалею, та како могу тебя непотребного пожалеть? Лучше будь чужой добрый, неже свой непотребный».
Царевич выразил в своем ответе полную готовность дать письменное отречение от престола. «Давай писем хоть тысячу, – говорил ему один из советников его, кн. В. В. Долгорукий, – еще когда что будет: старая пословица: улита едет, когда-то будет». Через несколько времени, вновь перенеся болезнь, настолько тяжелую, что опасались за его жизнь, царь обратился к сыну с другим письмом, которое он озаглавил так: «Последнее напоминание еще». – «Чем воздаешь рождение отцу своему? – писал в нем царь. – Помогаешь ли в таких моих несносных печалях и трудах, достигши такого совершенного возраста? Ей, николи, что всем известно есть, но паче ненавидишь дел моих, которые я для людей народа своего, не жалея здоровья своего, делаю, и, конечно, по мне разорителем оных будешь. Того ради, так остаться, как желаешь быть, ни рыбою, ни мясом, невозможно, но или отмени свой нрав и нелицемерно удостой себя наследником, или будь монах: ибо без сего дух мой спокоен быть не может, а особливо, что ныне мало здоров стал».
Алексей смиренно заявил отцу, что желает монашеского чина. «Ведь клобук не гвоздем к голове прибит», – шептал ему другой близкий ему друг и советник. Петр дал ему время подумать и уехал за границу. Но когда оттуда он потребовал от сына решительного ответа, царевич в сопровождении нескольких слуг и «матресы», как тогда называли некую девицу Евфросинью, бежал в Вену к цесарю, женатому на его свояченице, который укрывал его некоторое время в уединенном Тирольском замке, а затем в Неаполе; после долгих поисков и больших хлопот при переговорах с венским двором, Петр, грозя войною Австрии, вытребовал сына. 3 февраля 1718 года царевич в Москве на торжественном собрании Сената и духовных лиц подписал отречение от престола. Отец обещал ему прощение, если чистосердечно во всем признается. Вскоре, однако, обнаружилось, что показания царевича не были полны. Евфросинья на допросе в застенке Петропавловской крепости выдала его затаенные думы и планы: «Вот видишь, – говорил царевич, читая известие о болезни своего младшего брата, – видишь, что Бог делает: батюшка делает свое, а Бог свое». Открылось, что царевич ожидал бунта в войске против Петра и высказывал готовность примкнуть к бунту. Перед Евфросиньей он не стеснялся распространяться о своих намерениях относительно будущего и развивать свою политическую программу. Он собирался, когда сделается царем, «перевести» всех старых и избрать новых советников по своему вкусу, собирался жить в Москве, а Петербург покинуть, кораблей больше не держать и отказаться от территориальных приобретений отца. Легко понять, с какими чувствами выслушал эти показания Петр; царевич подтвердил их, и участь его была решена; Петр объявил данный в Москве «пардон не в пардон». Царевич был предан суду особого, составленного из духовных и светских чинов трибунала, который приговорил его к смерти. Царевич скончался, не дождавшись исполнения приговора, в одном из казематов Петропавловской крепости.
Дело царевича Алексея было причиной издания Петром закона о престолонаследии. В древней Руси не было закона, определявшего престолонаследия. Сначала престол передавался по завещанию; по прекращении старой династии установилось престолонаследие по избранию Земским собором; обыкновенно и по завещанию, и по избранию престол переходил к старшему сыну царствовавшего государя. Отступление от этой обычной практики в 1682 году, когда был избран младший сын и обойден старший, подало повод к народным волнениям. Этот обычный порядок был отменен Петром Великим, и 5 февраля 1722 года был издан закон, определявший преемство престола. «Понеже всем ведомо есть, – писал Петр во введении к этому закону, – какою авессаломскою злостию надмен был сын наш Алексей… а сие не для чего иного у него возросло, токмо от обычая старого, что большому сыну наследство давали, к тому ж один он тогда мужска полу нашей фамилии был и для того ни на какое отеческое наказание смотреть не хотел. Сей недобрый обычай не знаю чего для так был затвержден». Далее приводятся три основания в пользу того взгляда, что государь может распоряжаться престолом по своей воле. Во-первых, пример из священного Писания: указывается, как Исаакова жена меньшему сыну наследство исходатайствовала, «и что еще удивительнее, что и Божие благословение тому следовало». Далее, пример из истории России: великий князь Иван III, который «не по первенству, но по воле сие чинил и дважды отменял, усматривая достойного наследника, который бы собранное и утвержденное наше отечество паки в расточение не упустил, перва мимо сыновей отдал внуку, а потом отставил внука уже венчанного и отдал сыну наследство». Наконец, царь находит основание в гражданском праве: именно в указе 1714 года, предоставляющем на волю родительскую отдавать имение тому сыну, которого родитель сочтет достойным, «хотя и меньшему мимо больших, признавая удобного, который бы не расточил наследства». «Кольми же паче, – заключает отсюда царь, – должны мы иметь попечение о целости всего нашего государства». Исходя из этих оснований, Петр устанавливает новый порядок престолонаследия, по которому, во-первых, царствующий государь, «кому хочет, тому и определит наследство», и, во-вторых, имеет право, видя какое-нибудь «непотребство» в наследнике, лишить его наследства и назначить другого наследника, «дабы дети и потомки не впали в такую злость, как выше писано, имя сию узду на себе».
Установив закон о престолонаследии, царь, однако, не успел назначить себе наследника и скончался в ночь с 27 на 28 января 1725 года, не указав, кто должен был занять престол после его смерти.