Родился 18 (28) февраля 1690 года в Преображенском.
Крещён 23 февраля (5 марта) 1690 года, восприемники — патриарх Иоаким и царевна Татьяна Михайловна. Тезоименитство 17 марта, небесный покровитель — Преподобный Алексий, человек Божий.
Был женат на принцессе Шарлотте Кристине Софии Брауншвейг-Вольфенбюттельской, сестре Елизаветы, супруги императора Карла VI. Дети — Наталья (1714—1728) и Пётр (1715—1730), впоследствии император Пётр II. Шарлотта скончалась вскоре после рождения сына, и царевич завёл любовницу Ефросинью, с которой ездил в Европу и которая позже допрашивалась по его делу и была оправдана.
В 1716 году в результате конфликта с отцом, который хотел отстранить его от наследования, Алексей с помощью Кикина (начальника Санкт-Петербургского адмиралтейства) тайно бежал в Вену и вёл там сепаратные переговоры с европейскими правителями, включая родственника своей жены австрийского императора Карла. Для сохранения секретности австрийцы переправили Алексея в Неаполь. Алексей планировал дождаться на территории Австрийской империи смерти Петра (который в этот период тяжело болел) и затем, опираясь на помощь австрийцев, стать русским царём.
Согласно его показаниям на следствии, он был готов ради захвата власти опереться на австрийскую армию. В свою очередь австрийцы планировали использовать Алексея как свою марионетку в интервенции против России, но отказались от своего намерения, посчитав такое предприятие слишком опасным («для нас не является невозможным добиться определённых успехов в землях самого Царя, то есть поддерживать любые восстания, но нам в действительности известно, что этот царевич не имеет ни достаточной храбрости, ни достаточного ума, чтобы извлечь какую-либо реальную выгоду или пользу из этих [восстаний]» — из меморандума вице-канцлера графа Шенборна императору Карлу).
Позднейшее мнение Екатерины II:
Между тем русская разведка выследила местоположение Алексея, и от императора потребовали выдачи царевича России. Австрийский император отказался выдать Алексея, но разрешил допустить к нему присланного Петром П. Толстого. Последний предъявил Алексею письмо Петра, где царевичу гарантировалось прощение любой вины в случае немедленного возвращения в Россию («Буде же побоишься меня, то я тебя обнадёживаю и обещаюсь Богом и судом его, что никакого наказания тебе не будет, но лучшую любовь покажу тебе, ежели воли моей послушаешь и возвратишься. Буде же сего не учинишь, то, … яко государь твой, за изменника объявляю и не оставлю всех способов тебе, яко изменнику и ругателю отцову, учинить» — из письма Петра Алексею).
Письмо, однако, не смогло заставить Алексея вернуться. Тогда Толстой подкупил австрийского чиновника, чтобы тот «по секрету» сообщил царевичу, что его выдача в Россию — вопрос решённый («А потом увещал я секретаря вицероева, который во всех пересылках был употреблён и человек гораздо умён, чтоб он, будто за секрет, царевичу сказал все вышеписанные слова, которые я вицерою советовал царевичу объявить, и дал тому секретарю 160 золотых червонных, обещая ему наградить вперёд, что оный секретарь и учинил» — из донесения Толстого). Это убедило Алексея, что расчёты на помощь Австрии ненадёжны. Осознав, что помощи от Карла VI он не получит, и страшась возвращения в Россию, Алексей через французского офицера Дюре тайно обратился с письмом к шведскому правительству с просьбой о помощи. Однако данный шведами ответ (шведы обязались предоставить Алексею армию для возведения его на престол) запоздал и П. Толстой сумел угрозами и посулами добиться от Алексея согласия на возвращение в Россию до того, как он получил послание от шведов.
После возвращения за тайное бегство и деятельность во время пребывания за границей Алексей был лишён права на престолонаследие (февраль 1718). 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»). 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. На очной ставке Алексей подтвердил показания Ефросиньи. 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).
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 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).
Личность царевича привлекла внимание писателей (начиная с Вольтера и Пушкина), а в XIX в. и многих историков. Алексей изображён на известной картине Н. Н. Ге «Пётр допрашивает царевича Алексея в Петергофе» (1871 г.).
В художественном фильме Виталия Мельникова «Царевич Алексей» (1997) Алексей Петрович показан человеком, который стыдится своего венценосного отца и лишь хочет жить обычной жизнью. При этом он, согласно создателям фильма, был тихим и богобоязненным человеком, который не желал смерти Петру I и смены власти в России. Но в результате дворцовых интриг он был оклеветан, за что был замучен своим отцом, а его товарищи были казнены.