Вероятная перспектива потери контроля над арестантами в совокупности с угрозой оставления Екатеринбурга советскими войсками требовали принятия решения о судьбе Николая и его семьи. 16 июля 1918 года датирована телеграмма, отправленная из Екатеринбурга в Москву через Петроград, в которой выражалось решительное намерение уральских большевиков поставить точку в деле Николая:
Тем не менее, в тот же день Президиум Уралоблсовета принял расстрельный приговор:
Расстрелом руководил комендант Дома особого назначения Я. М. Юровский. Он сформировал расстрельную команду и определил порядок действий при совершении казни. Остается загадкой, кто принял решение о ликвидации всей царской семьи. По всей видимости, это решение появилось в момент непосредственной подготовки казни, равно как и включение в число жертв царской прислуги. Итоговый список обреченных состоял из самого Николая, его супруги Александры Федоровны, их дочерей Ольги, Татьяны, Марии и Анастасии, сына Алексея, лейб-медика Е. С. Боткина, лакея А. Е. Труппа, горничной А. С. Демидовой и повара И. М. Харитонова — всего 11 человек.
В половине второго ночи с 16 на 17 июля 1918 года царскую семью разбудили и препроводили в подвал дома под предлогом опасности оставаться на верхнем этаже из-за накаляющейся обстановки в городе. Исполнители казни действовали по намеченному сценарию. Арестантов построили вдоль стены якобы для фотографирования. Как им объяснили, фотографии требовались для предоставления в газеты, чтобы подтвердить иностранным родственникам семьи Романовых их полное здравие. Затем в помещение вошла расстрельная команда, Юровский зачитал вердикт, и по его команде началась беспорядочная стрельба. Не все приговоренные погибли от выстрелов, раненых добивали штыками и ударами прикладов.
Сокрытие останков происходило в спешке. Похоронная команда до самого конца не знала о способе и месте уничтожения трупов. Тела повезли в грузовике по направлению к заброшенной шахте Верх-Исетского завода. Конечной точкой маршрута стал район Ганиной ямы — искусственного заводского пруда в окрестностях деревни Коптяки. С убитых сняли одежду, выпороли из нее спрятанные драгоценности, а саму одежду сожгли. Попытка захоронения останков в заброшенной шахте завершилась провалом: вода в шахте полностью не скрывала трупы, а попытки обрушить стены шахты гранатами не увенчались успехом. Юровский отправился в город для определения нового места захоронения. По его возращении трупы были извлечены из шахты и снова сложены на грузовике. С собой Юровский привез канистры с топливом и сосуды с серной кислотой.