Когда же Екатерина, кроме дочерей, родила ему сына Петра Петровича, то положение наследника, сына отвергнутой первой жены и постоянного «супротивника» Алексея сильно пошатнулось.
Постепенно три антипетровские силы стали объединяться, и Алексей, по существу, встал во главе заговора против царя.
В 1717 г., воспользовавшись отъездом Петра I в Европу, Алексей вместо того, чтобы ехать к нему по вызову в Копенгаген, бежал в Австрию. Это был дерзкий, решительный, продуманный шаг, подсказанный ему друзьями из окружения Петра. Они же помогли царевичу организовать побег.
Алексей появился инкогнито в Вене при императорском дворе, потом его переправили во владения Габсбургов в Неаполь. Из Неаполя Алексей обратился с письмом к Сенату и церковным иерархам. Он объяснял свой поступок и обличал политику Петра.
Петр был ошеломлен. Он послал своих лучших дипломатов за рубеж, чтобы урегулировать конфликт. От Австрии Петр потребовал выдачи царевича, но получил отказ. Однако венский двор, уверенный в антипетровской позиции Алексея, разрешил вступить с ним в переговоры представителям Петра. В Неаполь выехал опытный и хитрый Петр Андреевич Толстой в сопровождении гвардейского офицера.
В ходе длительных переговоров Алексей заколебался. Толстой передал ему, что в случае возвращения царь обещал сыну прощение и сохранение жизни. Толстой сумел заманить Алексея на корабль. Там переговоры должны были продолжаться. Но как только царевич спустился в каюту, фрегат снялся с якоря.
Уже на границе Алексей был арестован и вскоре предстал перед следствием. На его первом допросе в Москве присутствовал сам Петр. Алексей выдал часть своих сторонников. Тут же он по требованию Петра отрекся от претензий на трон и принес присягу маленькому царевичу Петру Петровичу.
В Москве и Петербурге начались аресты и новые допросы.
Следствие приняло большие масштабы. В застенках Москвы, а потом Петербурга сторонники Алексея выдавали все новые подробности антиправительственных действий. Вырисовывался настоящий антигосударственный заговор с целью устранения царя.
Первые казни заговорщиков были проведены в Москве. На плаху взошел Кикин, которого колесовали. За ним последовали некоторые другие знатные лица.
В июне 1718 г. Алексея перевезли из Москвы в Петербург и поместили в Петропавловскую крепость. К этому времени выяснилось, что во время московского следствия Алексей многое скрыл. Царь добивался от него все новых признаний, требовал назвать имена всех участников заговора, особенно его интересовала роль в этом деле первой жены и её родственников. На первом же допросе в крепости с применением пыток — дыбы и плетей — присутствовал царь в окружении своих сподвижников — Меншикова, Толстого, Апраксина и других.