No dia da execução, os Romanov estavam na Casa Ipatiev, uma propriedade mercadante da cidade russa de Yekaterinburg. A família foi acordada por oficiais bolcheviques e levada para o porão. Primeiro foi Nicolau, que estava com 50 anos, e o filho Alexei, 13. Em seguida desceram, Alexandra, 46, e as filhas Olga, 22, Tatiana, 21, Maria, 19, e Anastácia, 17. Também estavam presentes o médico da família, o cozinheiro, uma empregada e um criado.
Yakov Yurovsky, o oficial bolchevique que encarregado pela execução, alinhou as 11 pessoas contra a parede, como se fosse tirar um retrato. Então chamou o pelotão de fuzilamento e comunicou que o Comitê Executivo dos Urais havia decidido matá-los. Depois o oficial atirou no ex-czar, que morreu instantaneamente.
Cada membro do pelotão tinha ordem para matar um membro daquele grupo, mas o espaço do porão era muito pequeno e apertado, o que fez com que os oficiais não se posicionassem bem. Para piorar, as balas que foram disparadas contra Alexandra e as demais mulheres ricochetearam por causa das jóias que elas mantinham escondidas nos espartilhos. Em conseqüência disso, elas foram mortas por baionetas e coronhadas.
O enterro das vítimas foi completamente caótico, pois os guardas que acompanhavam os corpos apenas se preocupavam em pegar as jóias das mulheres e pouco se importavam com os cadáveres. Tanto que os corpos foram jogados nos poços de uma mina e permaneceram lá por cerca de 24 horas, até que decidiram levá-los para um local mais discreto. Mas o caminhão que os transportava os mortos atolou na lama, e foi por lá mesmo que os Romanov foram despejados.
No local onde os Romanov foram assassinados, na cidade de Ecaterimburgo, hoje fica a Igreja Ortodoxa Russa do Sangue
Os jornais que relataram a morte dos Romanov não deram muitos detalhes sobre a execução. O jornal Pravda disse apenas a família havia sido "enviada para um local mais seguro". Isso foi o suficiente para surgirem boatos sobre membros que teriam conseguido escapar da execução, por meio da ajuda de um guarda que teria ficado com pena deles. Como os corpos desapareceram, muitas pessoas começaram a se apresentar como um dos filhos Nicolau.
Um desses casos aconteceu na Alemanha, em 1920. Uma mulher chamada Anna Anderson tentou pular no canal Landwehr, em Berlim. Ao ser interrompida por um guarda, ela disse que era a princesa Anastácia, a mais jovem das filhas de Nicolau II, e que tinha conseguido fugir do massacre com a ajuda de um soldado polonês. A mulher disse também que havia viajado da Rússia para a Romênia em uma carroça, e que tentou buscar ajuda de uma tia que vivia na Prússia. Como não conseguiu provar sua identidade, tentou se jogar no rio em Berlim.
Mas as alegações de Anna logo foram rebatidas por parentes dos Romanov. Ela era muito arrogante, inclusive com as pessoas que acreditavam nela, e, para piorar, recusava-se a falar em russo. Não demorou muito para ser classificada como impostora.
Mesmo assim, por muitos anos foi comum na Rússia aparecer pessoas dizendo ser tal filho de Nicolau II. Até que em 1992, os restos mortais da família foram encontrados por arqueólogos russos, e sepultados na catedral de São Pedro e São Paulo, em São Petersburgo. Análises de DNA comprovaram que realmente os cadáveres eram da família imperial.