Царевич Алексей первые годы своей жизни оставался на попечении бабушки, Натальи Кирилловны, и матери, Евдокии Федоровны; отец его слишком занят был кипучею общественною деятельностью, от которой отдыхал не у семейного очага, а на воинских потехах или в Немецкой слободе. По смерти Натальи Кирилловны (в 1694 г.) в жизни царевича главное место заняла мать его, что имело влияние на те дружеские отношения, в каких он находился к ней и в позднейшее время. Шести лет царевич Алексей стал учиться грамоте по Часослову и букварю у Никифора Вяземского. В сентябре 1698 года, по заточении царицы Евдокии в Суздальский монастырь, царевич лишился материнского присмотра и перевезен к тетке, Наталье Алексеевне, в село Преображенское. Здесь, однако, под руководством учителя своего Н. Вяземского и воспитателей Нарышкиных (Алексея и Василия) он мало чем занимался.
Его окружали в это время Нарышкины (Василий и Михаил Григорьевичи, Алексей и Иван Ивановичи) и Вяземские (Никифор, Сергей, Лев, Петр, Андрей).Царь, однако, решил было (в 1699 г.) отправить сына в Дрезден для обучения наукам, но вскоре (быть может, под влиянием смерти генерала Карловича, которому предполагалось поручить это обучение) изменил свое решение. В наставники царевичу приглашен был саксонец Нейгебауер, бывший студент Лейпцигского университета. Он не сумел привязать к себе царевича, ссорился с прежними его учителями и досаждал Меньшикову, а поэтому в июле 1702 г. потерял должность. В следующем году место его занял Гюйссен, человек льстивый, не желавший принять на себя ответственности в возложенном на него поручении, а потому и малодостоверный в своих рассказах о царевиче. Но и Гюйссен, очевидно, не слишком заботился об успешном воспитании Алексея Петровича, так как и после отъезда Гюйссена в 1705 г. царевич Алексей все еще продолжал учиться.
Уже в 1707 г. Гюйссен (отправленный за границу с дипломатическими поручениями) предлагал в супруги Алексею Петровичу принцессу Шарлотту Вольфенбюттельскую, на что царь изъявил согласие. Во время путешествия своего в Дрезден в 1709 году, путешествия, предпринятого с целью обучения немецкому и французскому языкам, геометрии, фортификации и «политическим делам» вместе с Александром Головкиным (сыном канцлера) и кн. Юрием Трубецким, царевич виделся с принцессою в Шлакенберге весною 1710, а через год, 11 апреля, подписан был контракт о бракосочетании. Самый брак заключен 14 октября 1711 г. в Торгау (в Саксонии).
В 1708 году царевич предлагал царю статьи об укреплении московской фортеции, об исправлении гарнизона, о составлении нескольких пехотных полков, о сыске и обучении недорослей, если он в том же году набирал полки при Смоленске, отсылал в Петербург шведских полоняников, извещал о военных действиях против донских казаков с Булавиным во главе и ездил осматривать магазины в Вязьму, в 1709 г. приводил полки к отцу в Сумы, — то в позднейшее время далеко не выказывал такой деятельности и все менее и менее пользовался доверием царя. Заграничные поездки царевича едва ли принесли ему существенную пользу. После первой из них (1709—1712 г.) царевич дурно обращался с женою, предавался пьянству и продолжал дружить с попами. После второй — он вступил в связь с Евфросиньей Федоровной, пленной, принадлежавшей его учителю Н. Вяземскому. Вместе с тем он стал обнаруживать непослушание, упрямство, а также отвращение к военному делу и начал помышлять о побеге за границу.
Царь, по-видимому, не знал этих тайных помыслов, но тем не менее замечал в сыне перемену к худшему. В самый день смерти кронпринцессы Шарлотты, 22 окт. 1715 г., царь письменно требовал от царевича, чтобы он или исправился, или поступил в монахи, а в письме от 19 янв. 1716 г. прибавил, что в противном случае поступит с ним, как «с злодеем». Тогда Алексей Петрович, поддерживаемый сочувствием А. Кикина, Ф. Дубровского и камердинера Ивана Большого, бежал вместе с Евфросиньей через Данциг в Вену, где и явился к канцлеру Шенборну 10 ноября 1716 г. Заручившись покровительством императора Карла VI (который приходился ему шурином), Алексей Петрович проехал в Тироль, где остановился в замке Эренберге 7 дек. 1716 г., а 6 мая 1717 г. прибыл в неаполитанский замок Сент-Эльмо. Здесь застали его посланные царем Петр Толстой и Александр Румянцев.
Несмотря на опасение царевича, Толстому удалось уговорить его ехать обратно в Россию (14 окт.), причем во время возвращения Алексей Петрович получил разрешение жениться на Евфросинье Федоровне, но не за границей, а по вступлении в пределы России, для того, чтобы меньше стыда было. Первое свидание отца с сыном произошло 3 февраля 1718 г. Вслед за тем царевич лишен права наследовать престол, начались пытки и казни (Кикина, Глебова и мн. друг.). Розыск первоначально производился в Москве, в половине марта месяца, затем переведен в Петербург.
Дело царевича Алексея
После возвращения за тайное бегство и деятельность во время пребывания за границей Алексей был лишён права на престолонаследие (манифест 3(14) февраля 1718 года), причем он сам дал торжественную клятву об отказе от престола в пользу брата Петра Петровича в Успенском соборе Кремля в присутствии отца, высшего духовенства и высших сановников. При этом ему было объявлено прощение на условии признания всех совершённых проступков («Понеже вчерась прощение получил на том, дабы все обстоятельства донести своего побегу и прочего тому подобного; а ежели что утаено будет, то лишён будешь живота;… ежели что укроешь и потом явно будет, на меня не пеняй: понеже вчерась пред всем народом объявлено, что за сие пардон не в пардон»). Уже на следующий день после церемонии отречения началось следствие, порученное Тайной канцелярии и возглавленное графом Толстым. Алексей в своих показаниях постарался изобразить себя жертвой своего окружения и свалить на своих приближённых всю вину. Лица, его окружавшие, были казнены, но это не помогло Алексею — его любовница Ефросинья дала исчерпывающие показания, изобличившие Алексея во лжи. В частности, выяснилось, что Алексей был готов для захвата власти использовать австрийскую армию и намеревался при удобном случае возглавить мятеж русских войск. Дошло до того, что проскользнули намеки на попытки Алексея связаться с Карлом XII. На очной ставке Алексей подтвердил показания Ефросиньи, хотя ничего не сказал о каких либо реальных или мнимых связях со шведами. Сейчас трудно установить в полной мере достоверность этих показаний. Хотя пытки на этом этапе следствия не применялись, Ефросинья могла быть подкуплена, а Алексей мог давать ложные показания из страха применения пыток. Однако в тех случаях, когда показания Ефросиньи можно проверить из независимых источников, они подтверждаются (например, Ефросинья сообщила о письмах, которые Алексей писал в Россию, готовя почву для прихода к власти — одно такое письмо (неотправленное) было найдено в архиве Вены).
Смерть
На основании всплывших фактов царевич был предан суду и осуждён на смерть как изменник. Следует отметить, что связи Алексея со шведами остались неизвестными суду, а обвинительный приговор был вынесен на основании других эпизодов, которые по действовавшим в тот период законам карались смертью.Царевич умер в Петропавловской крепости 26 июня (7 июля) 1718 года, согласно официальной версии, от удара. В XIX веке Н. Г. Устряловым были обнаружены документы, согласно которым, царевича незадолго до смерти (уже после вынесения приговора) пытали, и эта пытка могла стать непосредственной причиной его смерти. Согласно записям канцелярии, Алексей умер 26 июня. Пётр I опубликовал официальное извещение, где говорилось, что, выслушав смертный приговор, царевич пришёл в ужас, потребовал к себе отца, просил у него прощения и скончался по-христиански, в полном раскаянии от содеянного.
Существуют данные, согласно которым Алексей был тайно убит в тюремной камере по приказу Петра, но они сильно противоречат друг другу в деталях. Опубликованное в XIX веке при участии М. И. Семевского «письмо А. И. Румянцева Д. И. Титову» (по другим данным, Татищеву) с описанием убийства Алексея является доказанной подделкой; оно содержит ряд фактических ошибок и анахронизмов (на что указывал ещё Н. Г. Устрялов), а также близко к тексту пересказывает ещё не вышедшие тогда официальные публикации о деле Алексея.
Алексей был похоронен в Петропавловском соборе крепости в присутствии отца. Посмертная реабилитация Алексея, изъятие из обращения осуждающих его манифестов и направленной на оправдание действий Петра «Правды воли монаршей» Феофана Прокоповича произошли во время царствования его сына Петра II (с 1727).
От кронпринцессы Шарлотты царевич имел двух детей: дочь Наталью, род. 12 июля 1714 г., и сына Петра, род. 12 окт. 1715 г. От Евфросиньи Федоровны Алексей Петрович также должен был иметь ребенка в апреле 1717 г.; судьба его остается неизвестной.