Измученный сомнениями, Петр решил добраться-таки до сути происшедшего. Первый этап расследования начался сразу же после оглашения манифеста, в Преображенском. Напомнив Алексею его обещание все открыть, Петр своей рукой написал список из семи вопросов, которые Толстой и передал царевичу вместе с предупреждением от царя, что, стоит ему хотя бы раз о чем-то умолчать или уклониться от ответа, он лишится полученного прощения. В ответ Алексей написал длинную бессвязную повесть о событиях своей жизни за последние четыре года. Настаивая, что только Кикин и Афанасьев заранее знали о побеге, он упомянул также еще ряд людей, которым рассказывал о себе и о своих отношениях с отцом. Среди названных оказались сводная сестра Петра, царевна Мария Алексеевна, Авраам Лопухин – брат первой жены Петра Евдокии, то есть дядя Алексея, сенатор Петр Апраксин – брат генерал-адмирала, сенатор Самарин, Семен Нарышкин, князь Василий Долгорукий, князь Юрий Трубецкой, царевич Сибирский, наставник царевича Вяземский и его духовник Игнатьев. Единственный человек, которого Алексей всячески старался обелить, была Евфросинья: «Она оныя письма спрятала в ларец… [и] о письмах твоих ко мне и от меня к тебе она не ведала. А когда я намерялся бежать, взял ее обманом, сказав, чтоб проводила до Риги и оттуды взял с собою и сказал ей и людем, которые со мною были, что мне велено ехать тайно в Вену для делания алиянцу против Турка и чтоб тайно жить, чтоб не сведал турок. И больше они от меня иного не ведали».
Заполучив список имен, Петр послал срочное распоряжение Меншикову в Петербург, где жило большинство из названных Алексеем. Как только прибыли курьеры, городские заставы закрылись, и из города никого не выпускали ни под каким видом. Крестьян, привозивших продукты на рынки, обыскивали при выезде, чтобы никто из провинившихся не сбежал, укрывшись в простых санях. Аптекарям запретили продавать мышьяк и всякий другой яд на случай, если кто-то из обвиняемых изберет иную форму бегства.
Убедившись, что город на замке, агенты Петра нанесли удар. В полночь дом Кикина потихоньку окружили пятьдесят гвардейских солдат. Офицер вошел, обнаружил хозяина в кровати, схватил его и прямо в халате и ночных туфлях забил в кандалы и железный ошейник и увез прежде, чем тот хоть слово успел сказать своей красавице жене. Вообще-то Кикин едва не сбежал. Он заранее понял, что ему грозит опасность, и подкупил одного из денщиков Петра, чтобы тот в случае чего его предупредил. Когда Петр писал приказ Меншикову, этот денщик стоял у царя за спиной и сумел все прочесть. Он немедленно вышел из дома и отправил гонца в Петербург. Но посланец подоспел через несколько минут после ареста Кикина.
Меншикову приказано было арестовать также князя Василия Долгорукого, генерал-лейтенанта, кавалера датского ордена Белого Слона и руководителя созданной Петром комиссии для рассмотрения «подлогов и расхищений по провиантской части». По общему мнению, он был в большой милости у Петра, ибо только что вернулся вместе с царем из длившегося полтора года путешествия в Копенгаген, Амстердам и Париж. Меншиков окружил дом Долгорукого солдатами, потом вошел и объявил князю царский приказ. Долгорукий отдал шпагу со словами: «Совесть моя чиста, а больше одной головы не снимут». Князя в кандалах доставили в Петропавловскую крепость. Тем же вечером Меншиков арестовал сенатора Петра Апраксина, Авраама Лопухина, сенатора Михаила Самарина и царевича Сибирского Василия. Кроме того, отправки в Москву ждали все слуги Алексея и еще девять человек в цепях.
В течение февраля в закинутую сеть попадало все больше и больше людей. В Москве и в Петербурге ежедневно шли аресты. Арестовали Досифея, епископа Ростовского, одного из самых влиятельных церковников в России, по обвинению в том, что он публично молился в церкви о здравии Евдокии и предрекал смерть Петра. Саму Евдокию и единственную оставшуюся в живых сводную сестру Петра, Марию, тоже арестовали и привезли в Москву на следствие. Петр сильно подозревал свою бывшую жену. Она состояла в сношениях с Алексеем и много бы выиграла, окажись ее сын на престоле. В тот день, когда Алексея лишили престолонаследия, Петр направил капитана гвардии Григория Скорнякова-Писарева в монастырь в Суздале, где Евдокия жила уже девятнадцать лет. Попав туда, Скорняков-Писарев обнаружил, что Евдокия давным-давно сбросила монашеское облачение и одевается как царственная особа. Он нашел на алтаре монастырской церкви запись «Молитвы за царя и царицу», в которой рядом стояли имена Петра и Евдокии, как будто царь никогда не разводился с женой. Наконец, Скорняков-Писарев открыл, что бывшая супруга и бывшая монахиня завела себе любовника, майора Степана Глебова, командира отряда, выделенного охранять ее в Суздале.