Thái tử Aleksei bị xử bắn trong hầm Nhà Ipatiev tại Ekaterinburg vào ngày 17 tháng 7 năm 1918, cách sinh nhật ông chưa đầy một tháng. Vụ hành quyết do lực lượng cảnh sát mật Bolshevik dưới quyền Yakov Yurovsky thực thi. Các nhà sử học vẫn chưa thống nhất về những sự kiện thực sự xảy ra trong ngày gia đình ông bị hành quyết. Theo một lời tường thuật về vụ việc này, vào lúc nửa đêm, cả gia đình ông bị gọi dậy thay đồ để di chuyển đến nơi khác. Nikolai II bồng Aleksei xuống một căn phòng dưới hầm. Mẹ ông hỏi xin vài chiếc ghế để bà và ông ngồi xuống. Khi cả gia đình và những người hầu đã yên vị, Yurovsky mới thông báo họ sẽ bị hành quyết. Đội hành quyết bắn chết Nikolai, Aleksandra và hai gia nhân nam trước tiên. Aleksei thì "kinh sợ" ngồi trên ghế cho đến khi các tay súng chuyển sang ông và nã đạn liên tục vào ông. Thái tử vẫn còn sống sau khi trúng đạn nên họ lại đâm ông nhiều lần bằng lưỡi lê. "Dường như không cách nào có tác dụng," Yurovsky chép. "Dù bị thương nhưng thằng bé vẫn sống." Đội hành quyết không biết Aleksei đã mặc một chiếc áo độn đầy đá quý bên dưới áo choàng và chính lớp ngọc này đã che chắn cho phần thân trên của ông. Cuối cùng Yurovsky bắn hai phát đạn vào đầu ông và ông nằm bất động.[52]

Trong nhiều thập kỷ, trước khi tất cả các thi thể được phát hiện và nhận diện, những người theo thuyết âm mưu cho rằng có người trong gia đình sa hoàng vẫn còn sống. Sau vụ ám sát, có nhiều người tự nhận mình chính là thành viên sống sót của gia đình Romanov. Những kẻ mạo nhận thái tử Aleksei gồm có Aleksei Poutziato, Joseph Veres, Heino Tammet, Michał Goleniewski và Vasily Filatov. Tuy nhiên các nhà khoa học cho rằng với căn bệnh máu khó đông thì việc ông thoát chết gần như bất khả thi.