Петр тяжело переживал безволие сына, тянул со своим решением и вновь пытался вразумить сына. Будучи в Копенгагене, он пригласил Алексея к себе, надеясь убедить сына переломить себя. Но окружение Алексея и прежде всего бывший главный интендант Адмиралтейства А.В. Кикин уговорили царевича использовать письменное приглашение в Копенгаген для бегства за рубеж (в Рим или Вену). Немалым стимулом к этому было желание Алексея сохранить любовную связь с крепостной Никифора Вяземского — Ефросиньей Федоровой. Кикин подготовил побег, и 10 ноября 1716 г . в дом вице-канцлера венского двора Шенборна вошел русский царевич и заявил, что «император должен спасти» его и что он хочет царствовать.
Тем временем в Копенгагене Петр так и не дождался исчезнувшего сына. Начался долгий розыск, и только в марте 1717 г . порученцы Петра установили, что Алексей находится в Эренберге. Однако на запрос Петра Карлу VI положительного ответа не получили. Предстояла сложная дипломатическая борьба с венским двором, который намеревался в защите Алексея объединиться с Англией.
Австрийцы перевели царевича в Неаполь, где и содержали под видом важного государственного преступника. Они даже инспирировали письменные обращения Алексея к российскому Сенату и архиереям. Это была уже серьезная, враждебная России акция.
Убедившись в лояльном отношении к себе со стороны Франции и отчасти Англии, Петр посылает в Вену П.А. Толстого и гвардейца А.И Румянцева с жестким приказом вернуть Алексея в Россию. В Вене отказали требованиям Петра выдать Алексея, но, однако, П.А. Толстому разрешили вступить в переговоры с беглым царевичем. В долгих многомесячных переговорах Толстой проявил недюжинную изворотливость и настойчивость. Он пошатнул уверенность Алексея в прочности австрийской опеки, при этом, видимо, сумел также склонить на свою сторону девицу Ефросинью. В итоге 3 октября 1717 г . Алексей объявил о согласии вернуться в Россию, где уже велась подготовка суда над ним. 3 февраля 1718 г . царевич въехал в первопрестольную Москву.
Следствие над царевичем и розыск по делу о его матери были масштабными мероприятиями. В состав суда было назначено 127 человек. На первой встрече царя с беглым сыном царевич умолял о прощении и о даровании ему жизни. Царь же потребовал отречения, на что царевич тут же согласился и подписал присягу новому наследнику (Петру Петровичу).
Получив от сына сведения о сообщниках, Петр возглавил следствие. Сразу же было взято под стражу 50 человек. Среди них были А.В. Кикин, И. Афанасьев, сенатор Михаил Самарин, шурин царя по первой жене Авраамий Лопухин, сибирский царевич Василий, брат адмирала Апраксина Петр Апраксин, князь Василий Долгорукий и много других известных стране лиц. Допросы и пытки выявили, что Алексей открыл отцу едва ли половину своих замыслов. Тут же в Москве произведены были первые казни. А.В. Кикина колесовали, причем руки и ноги отрубали в замедленном темпе, голову водрузили на кол.
18 марта весь двор отправился в Петербург. Там были продолжены следствие и суд. Причем, как пишет Н.И. Павленко, теперь уже все дело было передано в руки «вернолю-бивых господ министров, Сената и стана воинского и гражданского». Поступая так, Петр был предельно честным и проявлял величайшее мужество: «Я с клятвою суда Божия письменно обещал оному своему сыну прощение..., ежели истину скажет, хотя он сие и нарушил...». Обращаясь к духовенству, Петр сказал: «Смотрите, как зачерствело его сердце... Соберитесь после моего ухода, вопросите свою совесть,