Вечером в школе раздался телефонный звонок. А. Смольников объявил, что узников срочно должны перевести из Алапаевска в Верхне-Синячихинский завод. На сборы отводилось совсем немного времени – ночью предстояло отправиться в путь. То, что выезжать собрались ночью, можно было объяснить соображениями секретности – бои гремели совсем неподалеку. Глубокой ночью подводы, на которых разместились члены императорской семьи, выехали из Алапаевска в сопровождении небольшого отряда. В него входили алапаевские комиссары Григорий Абрамов, Алексей Смольников, Николай Говырин, Владимир Спиридонов, Иван Абрамов, Михаил Гасников, Василий Рябов, Петр Зырянов и Михаил Останин. Трое приехали из Верхней Синячихи: Евгений Середкин, Иван Черепанов, Петр Кайгородов. Кроме того, с узниками поехали Егор Сычев и красноармеец Иван Маслов. Большинство участников операции занимали немаленькие посты. Непроверенных бойцов решили не брать.
До Верхне-Синячихинского завода подводы не доехали. Они остановились на развилке Верхотурского тракта и дороги, ведущей на завод. Именно там убийцы решили покончить со своими пленными. Считается, что великий князь Сергей Михайлович попытался оказать убийцам сопротивление. Едва ли он рассчитывал на успех – слишком неравными были силы. Скорее, им двигала ярость обреченного человека, которому уже нечего терять. Он был единственным, кого большевики застрелили. На остальных даже не стали тратить патроны. Их били по голове обухом топора, а потом сбрасывали в провал заброшенной Нижне-Селимской шахты. Опасаясь, что кто-то из них может выжить, шахту забросали гранатами, а вход в нее замаскировали: прикрыли жердями и бревнами и присыпали землей.
Но так как отвечать за убийство царской семьи не желал никто, то палачи решили инсценировать бегство великих князей. Был третий час ночи, когда во дворе Напольной школы раздались выстрелы и послышались взрывы гранат. Имитация была совершенно бездарной, никто не озаботился даже как следует ее спланировать. Как только началась стрельба, подняли по тревоге красноармейский отряд Кучникова. Возле школы отряд рассыпался в цепь, но стрельба внезапно прекратилась. Красноармейцы полчаса лежали, вглядываясь в темноту, однако никаких следов врага не заметили. Тогда решили войти в здание. На крыльце встретили комиссара Смольникова, который объявил о побеге великих князей. Версия выглядела довольно странно: Смольников утверждал, что их «белогвардейцы увезли на аэроплане». Если вспомнить, что дело происходило ночью и в черте города, такой вариант побега покажется невероятным. Аэроплан должен был бесшумно сесть неподалеку от школы, в полной темноте (сооружение подобия посадочной полосы с минимальным освещением привлекло бы внимание). После этого нужно было освободить семерых узников, проводить их к аэроплану и взлететь (опять-таки в полной темноте!). Но Смольникова не беспокоило правдоподобие версии. Он громко матерился и говорил, что им всем попадет от Уральского областного совета за то, что не сумели уберечь узников. В Екатеринбург была отправлена срочная телеграмма: «18 июля утром 2 часа банда неизвестных вооруженных людей напала на Напольную школу, где помещались великие князья. Во время перестрелки один бандит убит и видимо есть раненые. Князьям с прислугой удалось бежать в неизвестном направлении. Когда прибыл отряд красноармейцев бандиты бежали по направлению к лесу. Задержать не удалось Розыски продолжаются. Алапаевский Исполком. Абрамов Перминов Останин».
После имитации побега началась имитация расследования и попыток отыскать людей, чьи обезображенные взрывом тела лежали на дне заброшенной шахты. На следующее утро весь город был оклеен объявлениями о побеге узников. Затем эта ложь перекочевала в газеты. 26 июля 1918 года в № 145 газеты с длинным названием «Известия Пермского Губернского Исполнительного Комитета Советов Рабочих, Крестьянских и Армейских депутатов» появилась короткая заметка о побеге князей. В ней сообщалась та же информация, что и в телеграмме. Новым было разве что упоминание жертв «с обеих сторон»…
Настоящее расследование этого преступления началось позже, осенью, когда в Алапаевск вошли части белогвардейцев. Командовал ими полковник Смолин. Прибыв в город, где членов царской семьи в последний раз видели живыми, Смолин распорядился начать следствие, поручив розыск убитых старшему милиционеру Т. Малышикову. Очень скоро тот нашел первых свидетелей, которые рассказали, что в ночь с 17-го на 18 июля видели на дороге, ведущей к Верхне-Синячихинскому заводу, целый «поезд» подвод. Малышиков понял, что тела следует искать в одной из окрестных шахт. 7 октября при исследовании шахты была найдена фуражка, принадлежавшая при жизни одному из князей. 9—11 октября тела всех погибших Романовых были подняты на поверхность. Позже их захоронили в склепе Свято-Троицкого собора.