В результате начатого розыска в застенки Преображенского приказа попали пятьдесят человек. Для особо тщательного расследования дела царевича Петр учредил Тайную канцелярию во главе с Толстым – специальную службу политического сыска. Главным следователем выступал сам царь, нередко он лично проводил допросы и присутствовал на пытках. Заговора в полном смысле этого слова не существовало. Арестованные признавались, что вели крамольные разговоры, надеялись на народное восстание, гибель царя, восшествие на престол Алексея и возвращение к старым порядкам. Однако, проявление недовольства существующим режимом и преступных намерений по отношению к нему по законодательству того времени было вполне достаточно для вынесения смертных приговоров.
Александра Кикина за непосредственное содействие побегу царевича колесовали с особой жестокостью: чтобы продлить мучения, ему отрубили руки и ноги с большими промежутками во времени. Взошел на эшафот ростовский эпископ Досифей, хуливший царя, пророчивший его скорую кончину и поминавший царицей его бывшую жену Евдокию. Заподозривший ее в соучастии в деле сына Петр приказал провести розыск в Суздальском монастыре, где она содержалась. В кельи монашки Елены обнаружили любовные письма к майору Степану Глебову, с которым она имела греховную плотскую связь. За прелюбодеяние с остриженной царицей Глебова посадили на кол. Лишились жизни еще несколько человек, другим отрезали язык, вырвали ноздри, секли кнутом, били батогами, конфисковали имущество, сослали в ссылку.
Петр заставил Алексея присутствовать на казнях и истязаниях оговоренных им людей. Вина многих из них заключалась лишь в том, что они знали о планах царевича сбежать за границу и не донесли на него. Сам же он утешался мыслью, что чистосердечным признанием обеспечил себе тихую счастливую жизнь с любимой Ефросиньей. Но это был только первый – московский акт трагедии.
Второй разыгрался в Петербурге, когда Петр допросил любовницу Алексея. «Кто писал царевичу во время его пребывания за границей, кого он хвалил, кого бранил, что о ком говорил?». Вероятно, царь поставил перед ней те же условия прощения, что и сыну – полное чистосердечное признание. Ефросинья не стала играть с огнем, выложила, что Алексей жаловался австрийскому императору на отца «и как мог искал его живот прекратить, прилежно желал наследства и постричься отнюдь не хотел», радовался болезни своего малолетнего брата, слухам о народных бунтах и смутах в армии. На очной ставке с любовницей царевич отчасти подтвердил ее показания. Петр пришел в ярость: он готов был простить Алексея, но сын, утаив от отца часть своих преступных замыслов, продолжал с ним лукавить. Маховик следствия закрутился с новой силой. Загнанный в угол Алексей признавал один пункт обвинения за другим, сознался, что не отказался бы придти к власти в результате бунта, возглавить мятежные войска или принять вооруженную помощь иностранных государств. До этого момента царевич находился на свободе и не подвергался систематическим жестоким пыткам. Теперь разгневанный царь приказал заточить его в Петропавловскую крепость и отдать в руки мастеров заплечных дел, чтобы до конца вырвать из него все, что он пытался утаить. Отец лично присутствовал при истязаниях сына.
Петр полагал, что, не сказав всей правды с самого начала следствия, Алексей далек от полного раскаяния, и это обстоятельство избавляет отца от обещания сыну оказать милость и прощение. В ходе следствия царь понял, что не сам царевич с его эфемерными планами представляет угрозу делу всей его жизни, а стоявшие за ним противные преобразованиям силы, в первую очередь не понимавший смысла реформ темный простой народ, относившийся к Алексею с сочувствием и любовью, видевший в нем избавителя от грозного деспотичного царя, тяжких податей и повинностей. Никто не мог гарантировать Петру, что в случае его смерти, Алексей, несмотря на отречение от короны, не придет к власти и не сведет на нет все то, «что чрез помощь Божию отец получил, ниспровергнет славу и честь народа российского, для которого отец здоровье истратил, не жалея живота своего»; зачеркнет колоссальные усилия и жертвы страны, которые вывели ее на «театр славы и могущества». Сохранить жизнь царевичу – значило пойти на риск похоронить в будущем все то, что составляло смыл жизни царя. Петру предстояло сделать сложный выбор: что ему дороже – жизнь собственного сына или судьба врученного ему Богом государства и русского народа. Великий государь в первую очередь всегда думает о будущем всех своих подданных, за которых в ответе перед Создателем.