От брака с Евдокией у Петра был сын Алексей, родившийся в 1690 году. До девяти лет он жил при матери и, конечно, воспитывался в несочувствии к отцу. После пострижения матери он остался на попечении сестер отца в старом московском дворце, в старозаветной обстановке царевичей. Петр при своих постоянных заботах и поездках мало обращал внимания на воспитание сына; иногда мелькали у царевича воспитатели-иностранцы, обсуждался план образования царевича за границей, но не был приведен в исполнение, и воспитатели мало повлияли на Алексея, зато подействовала среда. От духовника царевича до последнего товарища его забав возле Алексея собрались люди старого закала, ненавистники реформ, боявшиеся и не любившие Петра. В старом забытом дворце уцелела и старая по направлению среда. Царевич впитал в себя дореформенные взгляды, дореформенную богословскую науку и дореформенные вкусы: стремление к внешнему благочестию, созерцательному бездействию и чувственным удовольствиям. Дряблая натура сына еще более усиливала его резкую противоположность отцу. Боясь отца, царевич не любил его и даже желал ему скорой смерти; быть с отцом для Алексея было хуже каторги, по его признанию. А чем больше рос царевич, тем чаще тревожил его отец. Петр привлекал его к делу, думал практическим трудом воспитать в сыне достойного себе помощника и наследника, давал ему поручения важного характера и часто возил его с собой. Но с первых же шагов он убедился, что сын хотя и умен, но к делу не способен, потому что бездеятелен по натуре и враждебен отцу по взглядам. Петр думал силою переделать сына, даже бивал его – и безуспешно. Сын оставался пассивным, но упорным противником.
В 1711 году Петр устроил женитьбу сына на принцессе Вольфенбюттельской Софии-Шарлотте. Нужно думать, что этим он еще надеялся переделать сына, изменив условия его жизни и открыв доступ влиянию на сына культурной женщины. Царевич хорошо относился к жене, но не изменился. Когда у Алексея родился сын Петр и умерла жена (1715), царь Петр стал иначе смотреть на сына: с рождением внука можно было устранить сына от престола, ибо являлся другой наследник. Кроме того, Петр мог рассчитывать сам иметь сыновей, так как в 1712 году он вступил формально во второй брак.
Женился он на женщине, с которой уже несколько лет жил душа в душу. Она была дочерью простого лифлянда Самуила Скавронского, в Лифляндии попала в плен к русским, долго жила у Меншикова, в его доме, стала известна Петру и прочно овладела его привязанностью. Приняв православие, она получила имя Екатерины Алексеевны Михайловой (а ранее называлась Василевской) и еще до 1712 года подарила Петру дочерей – Анну и Елизавету.
Екатерина была подходящим Петру человеком: скорее сердцем, чем умом понимала она все взгляды, вкусы и желания Петра, откликалась на все, что интересовало мужа, и с замечательной энергией умела быть везде, где был муж, переносить все то, что переносил он. Она создала Петру незнакомый ему ранее семейный очаг, достигла крепкого влияния на него и, будучи неустанной помощницей и спутницей государя дома и в походах, добилась формального замужества с Петром. Влиянию Екатерины некоторые склонны приписывать решительный поворот в отношениях Петра к царевичу Алексею.
Поворот этот состоял в том, что Петр после смерти жены Алексея передал сыну обширное письмо, в котором указывал ему на его неспособность к делам и требовал или исправиться, или отказаться от надежды наследовать престол. В необходимости дать ответ отцу царевич обратился за советом к приятелям, и те посоветовали ему отказаться от престола лицемерно, для избежания дальнейших неприятностей в случае упорства. Царевич так и сделал. Но для Петра не было секретом, что все недовольные ходом дел видят в консервативных привычках царевича надежду на возвращение старых порядков и поэтому после Петра могут возвести Алексея на престол, несмотря на его теперешний отказ. Петр потребовал от сына не простого отказа от престола, а пострижения в монахи (что лишало его возможности вступить на трон) или требовал, чтобы тот принялся за дело. Но Алексей на это ответил, что готов идти в монахи, и ответил снова лицемерно. Петр отложил решение этого вопроса, не решаясь на пострижение сына, дал царевичу полгода на размышление и вскоре уехал за границу.
Прошло полгода, и в 1716 году Петр из Дании потребовал у сына ответа и звал его к себе в том случае, если он раздумал идти в монахи. Под видом поездки за границу к отцу царевич выехал из России и отправился в Австрию, к императору Карлу VI, у которого просил защиты от отца. Карл скрыл его в Неаполе. Но в 1717 году посланные Петром на розыски царевича Толстой и Румянцев нашли его и убедили добровольно вернуться в Россию. Алексей приехал в Москву в 1718 году и в присутствии многочисленного народа, собранного во дворец, получил от отца прощение под двумя условиями: он отрекся от престола и назвал, тех лиц, по совету которых бежал.