Несмотря на вторичное письменно объявленное прощение, вслед за тем и начался жестокий судный розыск над Алексеем и его сторонниками. Ему были предложены вопросные пункты касательно его бегства и пособников. Царевич на эти пункты написал довольно подробный рассказ с указанием на роль главного пособника, т. е. Александра Кикина, потом на Никифо-ра Вяземского, на московского своего духовника протопопа Якова Игнатьева и петербургского протопопа Георгия, камердинера своего Ивана Большого Афанасьева, Семена Нарышкина, Федора Дубровского; упомянул о сношениях своих с князьями Василием Владимировичем Долгоруким, Федором Матвеевичем Апраксиным, сибирским царевичем и некоторыми другими лицами.
В разные места поскакали курьеры, хватали большую часть оговоренных лиц и везли их в Москву на розыск, т. е. на пытки. В застенках Преображенского тайного приказа засвистали кнуты, неумолчно раздавались удары по голым спинам вздернутых на дыбу и вымучивались всевозможные относящиеся к бегству царевича показания, которые дьяки тут же записывали. Иногда, кроме того, подсудимые писали еще собственноручные признания. Более всех мучили Александра Кикина, его принимались пытать несколько раз, причем добивались сознания не только в делах, но и в речах или беседах, отдельных фразах и даже в самых мыслях. Затем суд, наряженный из высших чинов, приговорил Кикина к смертной казни (колесованию) с отобранием всего его имущества на государя. Такому же розыску, а впоследствии и смертному приговору подвергся камердинер царевича Иван Большой Афанасьев, тому же подвергся оговоренный Афанасьевым дьяк Федор Воронов, который повторял слова князя Василия Долгорукова, сказанные при возвращении Алексея: «Едет сюда дурак царевич для того, что отец ему посулил жениться на Афросинье; желвь емуне женитьба будет». Служители царевича Иван Меньшой Афанасьев (брат предыдущего), Федор Еверлаков и некоторые другие подсудимые после пыток биты кнутом и сосланы в Сибирь. Учитель царевича Никифор Вяземский был пытан и потом сослан в Архангельск. Пытаные оговаривали еще разных лиц, которых хватали и подвергали расспросу. И все за разговоры или словесные отзывы о деле царевича. Однако знатным лицам оказывалось большее или меньшее снисхождение. Так, генерал-лейтенант князь Василий Долгорукий был привезен в Москву в кандалах и подвергнут допросу, хотя и без пытки, но за него вступился его родственник, столь известный князь Яков Федорович Долгорукий и написал царю челобитную о милосердии; сам князь Василий подал повинную грамоту. Наказание его ограничилось ссылкой в Соликамск (из которой впоследствии был возвращен).
Царевна Марья Алексеевна также была подвергнута допросу, конечно, без пытки. Но так как открылись ее тайные сношения с инокиней Еленою (Евдокией Федоровной из рода Лопухиных), то за бывшею царицей в суздальский Покровский монастырь поскакал Преображенский капитан Скорняков-Писарев. Войдя неожиданно в ее келью, он застал ее не в монашеском, а в мирском платье, перерыл ее сундуки и нашел несколько подозрительных бумаг, а на жертвеннике в Благовещенской церквиписаную ектенью, которая поминала о здравии «благочестивейшую великую государыню Евдокию Федоровну». Привлечение к суду Евдокии-Елены широко распространило и усложнило судный процесс, ибо повело за собою арест многих связанных с нею лиц, каковы брат ее Авраам Лопухин, князь Семен Щербатый, суздальский протопоп Андрей Пустынный, ключарь Федор Пустынный, старица-казначея Маремьяна, старица Каптелина и т. д. Из показаний стариц Маремьяны и Каптелины открылась любовная связь Евдокии Федоровны с генералом Степаном Богдановичем Глебовым, с которым она познакомилась во время его приезда в Суздаль для рекрутского набора. Разумеется, Глебов был немедля схвачен. Он сознался в означенной любовной связи и в получении от нее писем, писанных старицей Каптелиной. Сознание, однако, не спасло его от пыток, посредством которых тщетно вымучивались показания о прикосновенности его и бывшей царицы к бегству царевича. Из розыска, между прочим, открылись дружба и сношения Евдокии и Глебова с епископом ростовским Досифеем, прежде бывшим архимандритом Спасского Евфимьева монастыря. Оказалось, что именно он поощрил Евдокию снять монашеское платье, покровительствовал ее связи с Глебовым, поминал ее царицею и пророчествовал, что государь опять возьмет ее к себе. Арестованный Досифей был соборне лишен архиерейского сана и назван просто расстригою Демидом, а затем подвергнут розыску и неоднократным пыткам. Одновременно с ним таким же пыткам подвергли и брата Евдокии Авраама Лопухина. Пытали также и князя Семена Щербатого. Не перечисляем разных второстепенных лиц, привлеченных к розыску по так называемому Суздальскому делу, т. е. за сношение с бывшей царицей или услуги, ей оказанные. В средине марта 1718 года последовал по сему делу приговор: Степан Глебов был посажен на кол, бывший епископ Досифей колесован, ключарь Федор Пустынный и певчий царевны Марии Федор Журавский также казнены смертью. На кремлевской площади поставили каменный четырехугольный столб, на котором положили трупы казненных, и головы их воткнули на железные шпицы, утвержденные по сторонам столба. Авраам Лопухин, подобно Ивану Афанасьеву, пока не казнен и отослан в Петербург для продолжения розыска. Остальные биты кнутом и сосланы, причем некоторые, как князь Семен Щербатов, с урезанием языка и вырыванием ноздрей. В числе осужденных женщин были княгиня Настасья Голицына, которую наказали батогами и сослали на прядильный двор, и княгиня Настасья Троекурова (сестра Авраама Лопухина), которая «по жестоком наказании» (бита кнутом) сослана в дальний монастырь. Сама бывшая царица Евдокия-Елена Федоровна отправлена в заточение в Ладожский девичий монастырь, а царевна Мария Алексеевнав Шлиссельбург (в следующем году возвращена в Петербург, где скончалась в 1723 году).
Во второй половине марта Петр с двором и царевичем переехал из Москвы в Петербург и там продолжал розыск по делу Алексея Петровича, который был совершенно подавлен этим розыском и думал утопить горе в вине. В апреле воротилась Евфросинья с братом Иваном и служителями царевича. Последний в день Святой Пасхи на коленях умолял Екатерину исходатайствовать ему брак с возлюбленной, но тщетно. Очевидно, несчастный все еще надеялся на отцовское помилование. Служители его немедля подверглись пыткам и расспросам. Вместе с другими арестованными лицами посаженная в Петропавловскую крепость, Евфросинья разрешилась от бремени. Тогда ее также привлекли к розыску, но без пыток, во-первых, ей были обязаны возвращением царевича, а во-вторых, она почти ни в чем не запиралась и давала на все откровенные показания, нисколько не жалея своего обожателя.
Допросы касались главным образом бегства, заграничного пребывания и письменных сношений его как с иноземными покровителями, так и со своими сторонниками в России. Евфросинья передала даже интимные разговоры, которые царевич иногда вел с нею об отце, о своих сторонниках, о своих намерениях и надеждах. Например, он выражал намерение, когда станет государем, то будет жить зиму в Москве, а летов Ярославле, Петербург же оставит простым городом, также и корабли держать не будет, а войско только для обороны, ибо войны ни с кем не хотел и т. п. По поводу воли Петра учинить наследником сына-младенца говорил: «Надеется отец мой, что жена его, а моя мачеха умна, а когда, учиня сие, умрет, то будет бабье царство! И добра не будет, а будет смятение: иные станут за брата, иные за меня». Показания Евфросиньи повели за собою новые, большею частью письменные допросные пункты самому Алексею: в отписках своих он отчасти сознавался, отчасти запирался.
Домогательства врагов царевича добыть уничтожающие его показания, таким образом, увенчались успехом. На их основании установлено было, что он не искренно отказывался от престолонаследия, а в действительности очень желал наследовать и не прочь был искать для того иноземной помощи, например цесарской; рассчитывал и на внутреннюю смуту, т. е. на массу недовольных петровскими жестокостями и преобразованиями, особенно на духовенство и даже на армию, и хотя никакого злодеяния не замышлял против отца, но ожидал скорой его смерти на основании разных соображений, например частых недомоганий, видений и прорицаний.