Радость встречи детей и родителей ничто не могло испортить: даже жестокое обращение новой охраны, сразу заявившей приехавшим, что содержание их в Екатеринбурге будет организовано по строгим тюремным правилам. Царская семья была счастлива тому, что они снова вместе. Дети обнимали родителей и сестру, все плакали.
Жизнь арестованных в доме Ипатьева оказалась намного печальнее и сложнее, чем в Тобольске. Уральский комитет в «Доме особого назначения», как именовали дом Ипатьева, ввел для арестованных строгий режим: подъем в 9 часов утра, поверка, завтрак; в 14.30 – обед, после обеда – прогулка в саду (вначале она занимала всего 15 минут); в 17 часов – чай; в 20 часов – ужин; отбой – в 22.30. Анастасия Николаевна, по воспоминаниям охранников, на прогулках была самой непоседливой и активной. Играла со своей собакой, весело бегала с ней по небольшому садику у дома Ипатьева.
Во вторник 18 (5) июня 1918 года великой княжне Анастасии Николаевне исполнилось 17 лет. Родные поздравляли дорогую именинницу. Погода в тот день стояла отличная, даже жаркая. Утром цесаревны помогли повару Харитонову испечь свежий хлеб, который получился очень вкусным. Потом вся Царская семья отправилась на прогулку в сад. Нагорный вынес и Алексея Николаевича, тот чувствовал себя хорошо. Цесаревича катали по саду в кресле с колесами. В саду цвела душистая сирень. Очень приятной получилась прогулка – тихо и уютно было на свежем воздухе, пробивалась трава, распускались листья на деревьях, пахло сиренью и медуницей. В 20 часов ужинали, повар постарался разнообразить стол ко дню рождения младшей цесаревны. На улице к этому времени бушевала недолгая гроза с сильным ливнем. После ужина сыграли в карты несколько партий. Спать отправились, как обычно, в половине одиннадцатого вечера.
Когда наступили жаркие июльские дни, одно из окон в спальне царской четы все же разрешили открыть. Арестованные были рады этой возможности дышать свежим воздухом в душном доме. Теперь Царская семья старалась больше времени проводить рядом с открытым окном, цесаревны занимались рукоделием, Государыня вязала, Государь читал вслух. В один такой тихий вечер непоседа Анастасия Николаевна не удержалась, зная, что это запрещено, выглянула в окно. Ей так было интересно посмотреть на двор под окном, на солдат в карауле, на высокие заборы, окружающие дом, и голубое небо над ними. Неожиданно один за другим раздались два выстрела! Часовой прицельно стрелял в цесаревну. Пули просвистели рядом с головой великой княжны и застряли в деревянной раме окна. Побледневшая Анастасия Николаевна в ужасе сползла на пол. Ее долго успокаивали родные, цесаревна не могла унять нервную дрожь. Она горько рыдала в объятиях матери. Смерть прошла совсем рядом, цесаревна почувствовала, что могла умереть. На вечерней поверке комендант подтвердил, что у охраны приказ: если любой из арестованных подойдет к окну, в него нужно стрелять.
Однако не такой был характер у Анастасии Николаевны, чтобы ее могли запугать надолго даже выстрелы. Над своими тюремщиками она подсмеивалась, говоря, что красноармейцы очень смешно вооружены. Весело описывала это так: «Как забавно вооружены красногвардейцы – прямо увешаны оружием, всюду что-нибудь висит или торчит». Пришедшие в дом Ипатьева на смену охранникам-рабочим часовые из ЧК так же не вызывали у ироничной цесаревны никакого страха или уважения, как и сам их начальник – Я.М. Юровский. Стоило ему отвернуться, Анастасия Николаевна показывала ему язык или «носик», приставляя большой палец руки к носу и шевеля остальными пальцами руки. Отчего все окружающие с трудом сдерживали смех.
Внешне Анастасия Николаевна изменилась к 17 годам, она поправилась, даже несмотря скудное питание. Относилась она к этому с присущей ей самоиронией, весело писала тете великой княгине Ксении Александровне: «Я еще не совсем превратилась в слона, но это может случиться в ближайшем будущем. Я действительно не знаю, почему это вдруг произошло; может быть, от недостатка упражнений, я не знаю». Больше самой цесаревны из-за изменений ее внешности волновалась Александра Федоровна, она писала подруге Анне Вырубовой, что младшая дочь располнела и стала такой, как раньше была Мария, с толстыми ногами и без талии, но выражала надежду, что Анастасия перерастет, похудеет, как ее старшая сестра.
Ночью 17 (4) июля 1918 года в подвале дома Ипатьева, по воспоминаниям, Анастасия Николаевна, посмотрев на свою семью и слуг, стоявших в ряд, весело воскликнула: «Жаль, что нет фотографа – он мог бы нас всех вместе снять!»
В подвал вошла расстрельная команда. Раздался первый залп. Пули отскакивали от цесаревен, в корсетах которых были зашиты драгоценности. Анастасия Николаевна оказалась только ранена, громко лаял Джимми, любимый пес цесаревны, защищая свою хозяйку. Его тоже убили. По воспоминаниям убийц, Анастасия Николаевна умерла последней из Царской семьи, ее добивали штыками и прикладами. Она дольше всех царских детей сопротивлялась смерти.