Η επανένωση της οικογενείας στο Αικατερίνμπουργκ δεν ήταν άμεση. Πέρασαν μερικοί μήνες μέχρι να μεταφερθούν όλα τα μέλη στην νέα τοποθεσία. Μέσα σε αυτό το χρονικό διάστημα ο Νικολάι και η Αλεξάνδρα αντάλλαζαν συνεχώς γράμματα. Τα γράμματα τους παρουσίαζαν ένα ερωτευμένο ζευγάρι που δεν είχε αντιληφθεί ακόμα τη κρισιμότητα της κατάστασης.
Ο Νικολάι, η Αλεξάνδρα και η κόρη τους Μαρία μετακινούνταν από τοποθεσία σε τοποθεσία, ενώ οι τρεις άλλες κόρες του παρέμειναν με τον Αλεξέι στο Τομπόλσκ, επειδή το παιδί ήταν πολύ άρρωστο για να ταξιδέψει. Στις 23 Μαΐου 1918 η οικογένεια επανενώθηκε στο Αικατερίνμπουρκ, όπου και παρέμεινε μέχρι τον Ιούλιο. Εκεί ζούσαν στωικά. Οι συνθήκες ζωής ήταν πολύ διαφορετικές απ’ ότι είχαν συνηθίσει, αλλά μπορούσαν να αναπνεύσουν με άνεση.
Το βράδυ της 16ης Ιουλίου, τους ξυπνάει ο οικογενειακός τους γιατρός λέγοντας πως θα τους μεταφέρουν σε νέα τοποθεσία. Πράγμα συνηθισμένο. Η οικογένεια ετοιμάζεται και τα κορίτσια κρύβουν τα βασιλικά τους κοσμήματα πάνω τους. Οδηγούνται στο υπόγειο του σπιτιού για μια «αναμνηστική» φωτογραφία. Στις 02:33 ξεψύχησαν. Η Μπολσεβικική Κυβέρνηση ανακοινώνει τον θάνατο του Νικολάι υποστηριζόμενη πως η υπόλοιπη οικογένεια διέφυγε σε ασφαλές μέρος. Τον Σεπτέμβριο του 1919 ανακοινώνει την δολοφονία της οικογένειας, από αριστερούς αντιστασιακούς (κατά των Μπολσεβίκων), κατά τη διάρκεια εκκαθαρίσεων ενώ τον Απρίλιο του 1922 αρνήθηκε εντελώς τον θάνατο τους. Η Σοβιετική ηγεσία αναγνώρισε τη δολοφονία το 1926, αλλά αρνήθηκε οποιαδήποτε ανάμειξη της Κυβέρνησης Λένιν.
Για χρόνια ο θάνατος και η εντολή της δολοφονίας έμειναν μυστήριο. Γύρω από τον θάνατο τους δημιουργήθηκε μία μυθοπλασία, που έφτανε μέχρι και στα σενάρια δολοφονίας τους από τον Στάλιν. Τα σενάρια τερματίστηκαν όταν, το 1989, δημοσιεύθηκε η αναφορά του Γιάκοβ Γιουρόβσκι, αρχηγού της φρουράς φύλαξης τους.
Η δολοφονία αποφασίστηκε όταν η Λεγεώνα της Τσεχοσλοβακίας άρχισε να πλησιάζει το Αικατερίνενμπουργκ. Φοβούμενοι πως η Λεγεώνα θα απελευθέρωνε τον Νικολάι, διατάζουν την εξόντωση των Ρομανόφ. Η εντολή δίνεται από τον Ανώτατο Σοβιέτ της Μόσχας, από τον Γιάκοβ Σβερντλόφ. Η οικογένεια οδηγείτε στο υπόγειο για την φωτογραφία και εκεί τους ανακοινώνεται ο επικείμενος θάνατος τους.
O Νικολάι Αλεξάντροβιτς, ενώ μαζί με τους συγγενείς του συνεχίζουν την επίθεσή τους κατά της Σοβιετικής Ρωσίας, η Εκτελεστική Επιτροπή των Ουραλίων αποφάσισε την εκτέλεσή του.
Πρώτα πεθαίνουν ο Νικολάι και η Αλεξάνδρα δια πυροβολισμού στο κεφάλι και το στήθος. Αυτό που ακολούθησε ήταν μια κόλαση. Μόλις καθάρισε ο καπνός των όπλων διαπιστώθηκε ότι τα παιδιά ήταν ακόμη ζωντανά. Οι πυροβολισμοί ξύπνησαν τα γύρω νοικοκυριά και έτσι αλλάζουν στρατηγική. Χρησιμοποιούν ξιφολόγχες. Λόγω των κοσμημάτων που είχαν πάνω τους, αποδεικνύονται δύσκολος στόχος. Ο Γιουρόβσκι χάνει την υπομονή του. Πετά τον Αλεξέι κάτω και τον πυροβολεί δύο φορές στο κεφάλι, για να σιγουρευτεί ότι είναι νεκρός. Η Όλγα κατέληξε από μια σφαίρα στο κεφάλι, η Τατιάνα δέχτηκε μια τελευταία σφαίρα στο πίσω μέρος τους κεφαλιού της. Ενώ άπλωναν τα πτώματα στα φορεία, διέφυγε μια κραυγή από την τελευταία από τις κόρες. Η κοπέλα καλύπτει το κεφάλι της με τα χέρια της , αλλά ο μεθυσμένος Ερμάκοφ αφού πρώτα την λόγχισε, στη συνέχεια την πυροβόλησε στο κεφάλι. Στη συνέχεια πηγαινοέρχεται στο δωμάτιο λογχίζοντας τα θύματα.
Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 70 σφαίρες και διήρκεσε 20 λεπτά. Ούτε τα σκυλιά της οικογένειας επιβίωσαν της επίθεσης. Τα πτώματα στυλώθηκαν, ακρωτηριάστηκαν, ποτίστηκαν με θεϊκό οξύ και κάηκαν. Για καιρό πιστεύονταν ότι είχαν ταφεί σε χώρο του εγκαταλειμμένου ορυχείου «τα Τέσσερα Αδέλφια», 12 μίλια βόρεια της εκτέλεσης. Αυτό ίσχυε για την νύχτα της εκτέλεσης. To επόμενο πρωί ο Γιουρόβσκι απομάκρυνε τα σώματα και αποφάσισε να τα κρύψει αλλού. Το όχημα, όμως, χάλασε. Ο Γιουρόβσκι αναγκάζεται να αλλάξει τα σχέδια του. Κρύβει τα πτώματα του Αλεξέι και της Μαρίας σε ένα εγκαταλελειμμένο καρόδρομο και τα υπόλοιπα εννιά σε λάκκο, 64 μέτρα μακριά. Πειραματίστηκε στους σορούς των δύο παιδιών προσπαθώντας να τα αποτεφρώσει, αλλά διήρκεσε πολλές ώρες και έτσι δεν αποτεφρώθηκαν οι υπόλοιποι σοροί.
Το 1991 μία ομάδα αρχαιολόγων ανακάλυψε έναν τάφο κοντά στο Αικατερίνμπουργκ. Οι έρευνες δείχνουν πως πρόκειται για τον τάφο της οικογένειας. Ανακαλύπτονται εννιά σοροί, που με εξετάσεις Βρετανών στο DNA τους επαληθεύονται το 1993. Ο τάφος είχε ήδη ανακαλυφθεί στις 29 Μαΐου 1979, αλλά το Κομμουνιστικό καθεστώς το κράτησε κρυφό. Στις 23 Αυγούστου 2007 ερασιτέχνες Ρώσοι αρχαιολόγοι ανακαλύπτουν έναν δεύτερο τάφο, 64 μέτρα μακριά από τον τάφο των Τσάρων, με δυο σκελετούς. Παρά το γεγονός ότι εγκληματολόγοι και γενετιστές αναγνώρισαν τα νέα ευρήματα, ως ανήκοντα στον Αλεξέι και τη Μαρία, παραμένουν αποθηκευμένα σε κρατικά σκευοφυλάκια, αναμένοντας το βούλευμα της εκκλησίας, καθώς απαιτείται μια «πιο λεπτομερή και εξονυχιστική» εξέταση.
Ο μισητός από τους Μπολσεβίκους αυτοκράτωρ, αγιοποιήθηκε το 1981 από τη Ρωσική Ορθόδοξη Εκκλησία ως «Άγιος Νικόλαος ο το Πάθος Φέρων» μαζί με την οικογένεια του. Φέρουν το όνομα «παθοφόροι» και χαρακτηρίζονται ως «Χριστιανοί θύματα της Επανάστασης». Η ίδια η Εκκλησία αρνήθηκε να αναγνωρίσει τα λείψανα τους ως αυθεντικά για πολιτικούς λόγους. Το 1998 έγινε η επίσημη ταφή τους, μεγαλοπρεπή και με επισημότητα, στο Παρεκκλήσι της Αγίας Αικατερίνης της Αγίας Πετρούπολης.
