В последние годы царствования Петра Великого встал вопрос о престолонаследии: кто займёт трон после смерти императора. Объявленный при отречении Алексея Петровича наследником престола царевич Пётр Петрович (1715—1719, сын от Екатерины Алексеевны) скончался в детстве. Прямым наследником становился сын царевича Алексея и принцессы Шарлотты, Пётр Алексеевич. Однако, если следовать обычаю и объявить наследником сына опального Алексея, то возбуждались надежды противников реформ вернуть старые порядки, а с другой стороны возникали опасения у соратников Петра, которые голосовали за казнь Алексея.

5 (16) февраля 1722 года Пётр издал Указ о престолонаследии (отменён Павлом I спустя 75 лет), в котором отменял древний обычай передавать престол прямым потомкам по мужской линии, но допускал назначение наследником любого достойного человека по воле монарха. Текст этого важнейшего указа обосновывал необходимость данной меры:

… чего для благоразсудили сей уставъ учинить, дабы сіе было всегда въ волѣ правительствующаго государя, кому оный хочетъ, тому и опредѣлить наслѣдство, и опредѣленному, видя какое непотребство, паки отмѣнитъ, дабы дѣти и потомки не впали въ такую злость, какъ выше писано, имѣя сію узду на себѣ.

Указ был настолько необычен для русского общества, что пришлось его разъяснять и требовать согласия от подданных под присягой. Раскольники возмущались: «Взял за себя шведку, и та царица детей не родит, и он сделал указ, чтоб за предбудущего государя крест целовать, и крест целуют за шведа. Одноконечно станет царствовать швед».

Пётр Алексеевич был отодвинут от престола, но вопрос о престолонаследии оставался открытым. Многие полагали, что престол займёт или Анна, или Елизавета, дочери Петра от брака с Екатериной Алексеевной. Но в 1724 году Анна отказалась от каких-либо притязаний на российский престол после того, как обручилась с герцогом Голштинским Карлом-Фридрихом. Если бы престол заняла младшая дочь Елизавета, которой было 15 лет (в 1724), то вместо неё правил бы герцог Голштинский, который мечтал с помощью России вернуть земли, завоёванные датчанами.

Не устраивали Петра и его племянницы, дочери старшего брата Ивана: Анна Курляндская, Екатерина Мекленбургская и Прасковья Иоанновна.

Оставался только один кандидат — жена Петра, императрица Екатерина Алексеевна. Петру нужен был человек, который бы продолжил начатое им дело, его преобразования. 7 мая 1724 Пётр короновал Екатерину императрицей и соправительницей, но спустя короткое время заподозрил в супружеской измене (дело Монса). Указ 1722 года нарушил привычный уклад престолонаследия, наследника же Пётр перед смертью назначить не успел.

Потомство Петра I

С Евдокией Лопухиной

Алексей Петрович(18.02.1690-26.06.1718)-Считался официальным наследником престола до ареста. Был женат с 1711 на принцессе Софии-Шарлотте Брауншвейг-Вольфенбиттельской, сестре Елизаветы, супруги императора Карла VI. Дети : Наталья (1714—28) и Пётр (1715—30), впоследствии император Пётр II.

Александр Петрович(03.10.1691-14.05.1692)

С Екатериной

Анна Петровна ( 07.02.1708-15.05.1728)-      В 1725 вышла замуж за германского герцога Карла-Фридриха. Уехала в Киль, где родила сына Карла Петера Ульриха (впоследствии российский император Пётр III).

Елизавета Петровна(29.12.1709-05.01.1762)-Императрица с 1741. В 1744 заключила тайный брак с А. Г. Разумовским, от которого, по свидетельствам современников, родила нескольких детей.

Наталья Петровна(03.03.1713-27.05.1715)       

Маргарита Петровна(03.09.1714-27.07.1715)  

Пётр Петровна( 29.10.1715-25.04.1719)-Считался официальным наследником короны с 1718 до смерти.

Павел Петрович(02.01.1717-03.01.1717)

Наталья Петровна(31.08.1718-15.03.1725)       

В большинстве книг по истории, в том числе и в некоторых популярных интернет-ресурсах, упоминаются, как правило, меньшее количество детей Петра I. Это связано с тем, что они достигли возраста зрелости и оставили определенный след в истории, в отличие от остальных детей, которые умерли в раннем детстве. По другим источникам, у Петра I было 14 официально зарегистрированных и упоминаемых на генеалогическом дереве династии Романовых детей .

Смерть Петра

В последние годы царствования Пётр сильно болел (предположительно, каменная болезнь почек, уремия). Летом 1724 года его болезнь усилилась, в сентябре он почувствовал себя легче, но через некоторое время приступы усилились. В октябре Пётр отправился осматривать Ладожский канал, вопреки советам своего лейб-медика Блюментроста. С Олонца Пётр проехал в Старую Руссу и в ноябре водой поехал в Петербург. У Лахты ему пришлось, стоя по пояс в воде, спасать севший на мель бот с солдатами. Припадки болезни усилились, но Пётр, не обращая на них внимания, продолжал заниматься государственными делами. 17 января 1725 года ему пришлось так худо, что он распорядился поставить в соседней со своей спальней комнатой походную церковь, а 22 января исповедался. Силы начали оставлять больного, он уже не кричал, как прежде, от жестокой боли, но только стонал.

27 января (7 февраля) были амнистированы все осуждённые на смерть или каторгу (исключая убийц и уличённых в неоднократном разбое). В тот же день в исходе второго часа Пётр потребовал бумаги, начал было писать, но перо выпало из его рук, из написанного смогли разобрать только два слова: «Отдайте всё…». Царь велел позвать тогда дочь Анну Петровну, чтобы она писала под его диктовку, но когда она пришла, Пётр уже впал в забытьё. Рассказ о словах Петра «Отдайте всё…» и приказе позвать Анну известен только по запискам голштинского тайного советника Г. Ф. Бассевича; по мнению Н. И. Павленко и В. П. Козлова, он представляет собой тенденциозный вымысел с целью намекнуть на права Анны Петровны, жены голштинского герцога Карла Фридриха, на российский престол.

Когда стало очевидно, что император умирает, возник вопрос, кто займёт место Петра. Сенат, Синод и генералитет — все учреждения, не имевшие формального права распоряжаться судьбой престола, ещё до смерти Петра собрались в ночь с 27 на 28 января 1725, чтобы решить вопрос о преемнике Петра Великого. В зал заседаний проникли гвардейские офицеры, на площадь вышли два гвардейских полка, и под барабанный бой войск, выведенных партией Екатерины Алексеевны и Меншикова, Сенат принял единогласное решение к 4-м часам утра 28 января. Решением Сената трон наследовала жена Петра, Екатерина Алексеевна, ставшая 28 января (8 февраля) 1725 года первой российской императрицей под именем Екатерина I.

В начале шестого часа утра 28 января (8 февраля) 1725 года Пётр Великий скончался. Похоронен он был в соборе Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге.

Знаменитый придворный иконописец Симон Ушаков написал на кипарисной доске образ Живоначальной Троицы и апостола Петра. После смерти Петра I эта икона была установлена над императорским надгробием.