Николай стоял рядом с сыном в центре первого ряда, Александра сидела на стуле возле стены, дочери выстроились позади нее; остальным велели встать позади Николая и царевича. Удовлетворенный тем, как ему удалось выстроить пленников, Юровский позвал не фотографа с треногой и черной накидкой, а одиннадцать человек, вооруженных револьверами. Пятеро, как и Юровский, были русские, шестеро – латыши. Накануне двое латышей отказались стрелять в юных девушек, и Юровский заменил их двумя другими. Когда в двери позади него ввалились вооруженные солдаты, Юровский встал напротив Николая, правую руку засунул в карман брюк, а в левой сжал клочок бумаги с постановлением Совета, которое и принялся зачитывать: «Ввиду того, что ваши родственники продолжают свои нападки на Советскую Россию, Уральский Совет постановил вас казнить».
Николай, обернувшись, быстро окинул взглядом семью, а затем, снова повернувшись к Юровскому, переспросил: «Что? Что?» Юровский торопливо повторил только что сказанное им, а затем, выхватив из кармана кольт, в упор выстрелил в Николая, прямо в сердце. Его взвод тотчас начал стрельбу. Каждому солдату заранее сказали, в кого стрелять, причем целиться было велено в самое сердце, дабы избежать излишнего кровопролития и быстро покончить с жертвами. Двенадцать человек стреляли из пистолетов, причем некоторым пришлось это делать из-за плеч стоявших в первом ряду, поэтому многие из палачей получили пороховые ожоги и частично оглохли.
Императрица и княжна Ольга попытались осенить себя крестным знамением, но, увы, слишком поздно. Александра скончалась в считаные секунды, сидя на стуле. Ольга была убита одной пулей, попавшей ей в лоб. Боткин, Трупп и Харитонов также скончались на месте. Алексей, три младшие княжны и Демидова всё еще оставались живы. Пули, казалось, отскакивали от корсетов царских дочерей и катались по помещению, словно градины. Не понимая, в чем дело, а затем и попросту испуганные и доведенные едва ли не до истерики, палачи продолжали свою безумную пальбу. Княжон уже почти не было видно, из-за пелены порохового дыма. Мария и Анастасия, присев на корточки, прижались к стене, защитив головы руками, но вскоре пули скосили и их.
Алексей, лежавший на полу, пошевелил рукой, словно пытаясь заслониться от пуль, а затем вцепился в отцовскую гимнастерку. Один из палачей пнул царевича в голову тяжелым сапогом. Алексей застонал, Юровский сделал шаг вперед и дважды выстрелил из револьвера прямо в ухо мальчику. Демидова осталась жива после первого шквала огня.