С марта по август 1718 г. Тайная канцелярия занимается исключительно делом царевича Алексея, и на протяжении этого периода ее фактическим руководителем является сам Петр. Под его началом следствие было проведено достаточно быстро, широко и досконально. В беседе с Толстым царь сразу очертил круг подозреваемых: «Когда б не монахиня (насильно постриженная его первая жена Евдокия Лопухина. —
Для получения подробных признаний царь не остановился перед пыткой сына. Так, например, с 19 по 24 июня 1718 г. Алексея шесть раз подвергали пыткам в каземате Петропавловской крепости, причем в первый день пытали дважды – с полудня до часа и с 6 до 9 вечера. Под пыткой у него удалось вырвать признание, что ради захвата власти царевич готов был даже согласиться на австрийскую интервенцию в пределы Отечества.
Собранные в ходе следствия доказательства были представлены Верховному суду из генералитета, сенаторов и Синода, который 24 июня 1718 г. приговорил сына Петра I к смертной казни. По официальной версии, царевич Алексей скончался в Петропавловской крепости от апоплексического удара, а по ходившим тогда слухам, был задушен, отравлен или забит насмерть кнутом. Хотя этот самый громкий процесс Петровской эпохи и закончился казнью главного виновника и его ближайших помощников, тем не менее, по мнению некоторых исследователей, Петр намеренно не стал доводить расследование до логического конца, поскольку уже имеющиеся материалы указывали на весьма широкий крут высокопоставленных лиц, которые если и не состояли непосредственно в заговоре, то были в той или иной степени оппозиционно настроены по отношению к Петровским реформам.
Поскольку в качестве центрального органа государственной безопасности в России уже существовал Преображенский приказ, то по окончании дела царевича Алексея Тайную канцелярию должны были бы упразднить, однако Петр решил по-иному. Сразу по завершении процесса царь 8 августа 1718 г. поручает Толстому расследование «адмиралтейского ревельского дела» – дела о грандиозных хищениях по военно-морскому ведомству в Ревельском порту. В том же году Тайная канцелярия проводит несколько важных процессов, относящихся к категории «слово и дело» в трактовке царского указа от 26 января 1715 г. («трех пунктов»): уголовное дело фаворитки Петра Марии Гамильтон, укравшей царские драгоценности; о злоупотреблениях в Астрахани; группу дел, «касающихся к расколу»; дело по доносу Зверева на майора Фуникова по расхищению им казенных денег и имущества; о краже корабельных лесов на Днепре; дело поручика Друккерта, подделавшего подпись и печать А.Д. Меншикова; об обвинении русского посла в Польше Г.Ф. Долгорукова в измене и взяточничестве и ряде других «тайных дел». Сложившийся параллелизм в деятельности двух органов госбезопасности был закреплен Петровским указом от 28 апреля 1722 г., предписывавшим местным властям направлять все дела о государственных преступлениях в Преображенский приказ или Тайную канцелярию. Судя по всему, решающую роль в этом дублировании сыграл географический фактор. С одной стороны, Петр рассматривал Москву центром крамолы против всех его начинаний и не считал возможным вывести из старой столицы Преображенский приказ, но с другой – царю был необходим и орган политического сыска, что называется, «под рукой», в Санкт-Петербурге.