В Вене этим планом заинтересовались, однако открыто предоставлять приют беглецу не рискнули — ссориться с Россией в планы Карла VI не входило. Поэтому Алексея под видом преступника Кохановского отправили в тирольский замок Эренберг. Оттуда он по тайным каналам отправил в Россию несколько адресованных влиятельным представителям духовенства писем, в которых осуждал политику отца и обещал вернуться страну на старый путь.

Между тем в России начались розыски беглеца. Петр I приказал русскому резиденту в Вене Веселовскому во что бы то ни стало разыскать царевича, и тот довольно скоро выяснил, что местопребыванием Алексея является Эренберг. Одновременно русский царь вступил в переписку с Карлом VI, требуя вернуть Алексея в Россию «для отеческого исправления». Император уклончиво ответил, что об Алексее ему ничего не известно, но, видимо, дальше решил не связываться с опасным беглецом, потому что Алексея решили отправить из пределов Австрии в крепость Святого Эльма возле Неаполя. Впрочем, русские агенты «вычислили» беглого царевича и там. В сентябре 1717 г. небольшая русская делегация во главе с графом П. А. Толстым явилась в Неаполь и начала уговаривать Алексея сдаться. Но тот был непреклонен и возвращаться в Россию не желал. Тогда пришлось пойти на военную хитрость — русские подкупили секретаря неаполитанского вице-короля, и тот «по секрету» сообщил Алексею, что австрийцы не собираются его защищать, планируют разлучить с любовницей и что в Неаполь уже едет сам Петр I. Услышав об этом, Алексей впал в панику и начал искать контактов со шведами. Но его успокоили — обещали, что ему будет разрешено жениться на любовнице и вести в России частную жизнь. Письмо Петра от 17 ноября, в котором царь обещал полное прощение, окончательно убедило Алексея в том, что все в порядке. 31 января 1718 г. царевич прибыл в Москву, а 3 февраля произошло его свидание с отцом. В присутствии сенаторов Алексей раскаялся в содеянном, а Петр подтвердил свое решение простить его, поставив лишь два условия: отказ от прав на престол и выдача всех сообщников, помогавших царевичу бежать. В тот же день Алексей в Успенском соборе Кремля отрекся от прав на трон в пользу своего трехлетнего сына Петра.

4 февраля начались допросы Алексея. В «допросных листах» он подробно рассказал все о своих сообщниках, фактически свалив всю вину на них, и, когда их казнили, решил, что все худшее позади. С легким сердцем Алексей начал готовиться к свадьбе с Ефросинией Федоровой. Но она, возвращавшаяся в Россию отдельно от царевича по причине родов, была немедленно арестована и на допросах рассказала о возлюбленном столько, что фактически подписала ему смертный приговор. Теперь Петру стало ясно, что его сын не просто попал под влияние своего окружения, но и сам играл активную роль в заговоре. На очной ставке с Федоровой Алексей сначала отпирался, но затем подтвердил ее показания. 13 июня 1718 г. Петр I устранился от следствия, попросив у духовенства дать ему совет, как поступить с сыном-изменником, а Сенату приказав вынести ему справедливый приговор. Верховный суд из 127 человек решил, что «царевич утаил бунтовый умысел свой против отца и государя своего, и намеренный из давних лет подыск, и произыскивание к престолу отеческому и при животе его, чрез разные коварные вымыслы и притворы, и надежду на чернь и желание отца и государя своего скорой кончины». 25 июня под охраной четырех гвардейских унтер-офицеров царевич был доставлен из Петропавловской крепости в Сенат, где выслушал смертный приговор.