Первоначально Пётр активно вовлекал Алексея в государственную и военную деятельность. В 1703 г. они наблюдали за штурмом Ниеншанца. Через год мы видим царевича под стенами осажденной Нарвы. В 1707 г. ему поручают организацию заготовки снаряжения и провианта в Смоленске, участвовал он и в обеспечении обороны столицы от шведского короля. Не имея профессиональных навыков и опыта организационной деятельности, царевич все-таки сумел проявить определенное усердие в выполнении поручений.
Сложно утверждать однозначно, каков был бы характер Алексея, если б отец проявлял по отношению к нему заботу и участие, не заставлял сына перенимать свои идеи, а убеждал в необходимости тех или иных действий. Обеспечь Пётр полноценное воспитание сыну, возможно, царевич и стал бы его преемником, продолжателем реформ. Однако история не знает сослагательного наклонения. Постепенно отец и сын отдалялись друг от друга все больше и больше. Многие требования царя воспринимались Алексеем как обязанность, которую надо скорее сбросить. Из его писем к друзьям можно увидеть интерес к развлечениям и полное отсутствие деловых качеств: «Пожалуйте, повеселитесь духовно и телеснее и в письме отпишите»; «А мы вчера повеселились изрядно, отец мой духовный Чиж чуть жив отшел до дому, поддержим сыном; такоже и протчие поджарилися»; «Веселились духовно и телесно и про Ваше здоровье пьем – не по-немецки, но по-русски»; «И мы по-московски пьем в поминанье прежде бывших с вами благ».
В 1711 г. Алексей, выполняя волю отца, женился на германской принцессе Шарлотте – родной сестре супруги нового австрийского императора Карла VI (занял престол 17 апреля 1711 г.). Брак способствовал укреплению пророссийских настроений в германских княжествах, помог улучшению контактов со Священной Римской империей. Политическая игра, результатом которой стал союз чуждых друг другу людей, носила исключительно утилитарный характер.
Взаимоотношения супругов развивались достаточно сложно. Попытки сближения сменялись полосой отчуждения и конфликтов. После приезда принцессы со всем двором в Петербург ситуация временно наладилась. Барон Левенвольд писал: «Нежность и любовь его высочества кронпринца сильнее, чем я могу выразить, а уважение и расположение к ней царя и царицы, особенно же царя, нисколько не меньше». Но супружеская идиллия оказалась мимолетной. Письма самой Шарлотты и свидетельства современников показывают картину постепенного отчуждения супругов друг от друга. Ситуация обострилась после появления у Алексея тайной связи с дворовой девушкой Ефросиньей Фёдоровной. Отчаявшаяся принцесса писала в одном из посланий: «Я несчастнее, чем думают и чем я могу выразить…» Нездоровый климат и угнетенное состояние подтачивали самочувствие Шарлотты. А рождение двух детей (Натальи (1714–1728 гг.) и Петра (1715–1730 гг.), с перерывом в год, истощили ее и без того слабые силы. 22 октября 1715 г. Алексей овдовел.
В 1713 г. царевич окончательно разочаровал отца, не выполнив с должным усердием порученное ему руководство судостроительными верфями на Ладожском озере. Царевич стал постоянно жаловаться на нездоровье, что помогало избегать многих заданий. Позже он признается: «Притворяя себе болезнь, лекарство нарочно, чтоб не быть похода, принимал, и в том виноват». Интерес Петра к сыну угасает окончательно. Алексей погружается в непринужденную придворную жизнь в Санкт-Петербурге.
Обострение конфликта с отцом в 1715–1716 гг., вызванное решением Петра I отстранить Алексея от наследования трона, склоняет его к желанию бежать из-под надзора «жестокосердного» родителя. Приняв для видимости предложение государя приехать в Копенгаген, царевич вместе со своей любовницей Ефросиньей покидает пределы России и направляется в Вену. По совету своего приближенного Кикина Алексей решил просить убежища у австрийского императора Карла VI. В Австрии ему предоставляют укрытие в горной крепости в Тироле.
Далее события разворачиваются в традициях шпионского романа: агентурная работа, внедрение, похищение, вывоз перебежчика. Не дождавшись приезда сына, Пётр отдает распоряжение организовать розыск. Несколько месяцев агенты русского царя вели поиск исчезнувшего Алексея. Они опрашивали владельцев постоялых дворов, подкупали австрийских вельмож, использовали шантаж и запугивание. В марте 1717 г. гвардии капитану А. И. Румянцеву удалось установить местопребывание царевича.
Пётр мгновенно осознал опасность, грозившую разрушить сложившийся баланс сил в противостоянии России и ее оппонентов. Алексея легко могли использовать в дипломатических интригах, особенно в связи с ухудшением отношений с Веной из-за Мекленбурга. Официальный запрос австрийскому двору спровоцировал новый переезд беглеца. Постоянное наблюдение за замком в Тироле позволило агентам Румянцева зафиксировать перемещение Алексея в Неаполь.