В начале марта поезд выехал из Тюмени. Никто не знал, куда он направлялся. На каждой станции солдаты выводили Львова и показывали голодной толпе. Он был уверен, что в живых его не оставят. В Екатеринбурге, узнав, что везут несколько князей и министров царского правительства, толпа рабочих собралась вокруг поезда и требовала выдать ей заключенных. Тюремщик Александра, анархист по фамилии Орлов, заверил его, что арестованных не выдадут и, если потребуется, по толпе будут стрелять. На следующее утро стало известно, что екатеринбургский совет отказался выпустить поезд, пока Александр и двое его товарищей не предстанут перед местным революционным трибуналом.
Поигрывая револьвером, чекист вывел их из поезда, усадил в грузовик и отвез в городскую тюрьму. Александра поместили в одиночную камеру, дали чай с черным хлебом. Александр ходил от стены к стене, пытаясь проходить пять верст в день, он находил успокоение в чтении Библии и книг Уильяма Джеймса, которые удалось взять с собой. Позднее в его камеру перевели Георгия и Николая.
Через неделю в Екатеринбург приехала Любовь, оставив детей в Тюмени. У местного комиссара юстиции левого эсера Николая Полякова она добилась разрешения на встречу с мужем. Обвинения заключенным не предъявили, и судьба их была неясна. Ф. И. Голощекин хотел расстрелять Львова, но, видимо, не нашел поддержки у своих товарищей. Любовь написала родным и друзьям с просьбой помочь из Москвы, и в середине апреля оттуда прибыл адвокат, чтобы попытаться добиться их освобождения. На Пасху тюремщики позволили узникам перейти в другую часть тюрьмы, где они могли слышать колокольный звон, позволили заключенным небольшой пасхальный ужин и частную службу, которую отслужил арестованный епископ Тобольский Гермоген (два месяца спустя большевики утопили Гермогена в Туре). В мае их перевели в другую тюрьму, где они встретили князя Василия Долгорукова, бывшего гофмаршала императорского двора. Долгоруков сообщил им, что император с несколькими членами царской семьи доставлен в Екатеринбург.
Николай, Александра Федоровна, пятеро детей и несколько слуг летом 1917 года были отправлены Керенским в отдаленный сибирский город Тобольск, главным образом для того, чтобы оградить их от ярости все более радикальных озлобленных толп в Петрограде. Весной 1918 года Романовых и горстку оставшихся при них слуг переправили в Екатеринбург. Вскоре после их прибытия Александр, Георгий и Николай были освобождены из-под стражи, им позволили вернуться в Тюмень, где они должны были ожидать суда по обвинению в контрреволюционной деятельности. Освобождению Львова так и не нашлось объяснения, кажется, это была ошибка или чудо. Если бы они остались в Екатеринбурге, то, очевидно, разделили бы участь царской семьи.
Во время Первой мировой многие чехи отказывались сражаться за Австро-Венгерскую империю, хотя были ее подданными, предпочитая перейти на сторону русских, своих славянских братьев. Весной 1918 года чешский корпус получил разрешение большевистского правительства уехать из России через Сибирь по Транссибирской магистрали, чтобы принять участие в боях на Западном фронте. К концу мая корпус продвинулся до Челябинска, но после бунта чехов и венгерских военнопленных советские власти распорядились разоружить и распустить его; тех, кто оказывал сопротивление, расстреливали на месте. Первоначально желая лишь прорваться во Владивосток, к началу июля чехи решили остаться в России и воевать на стороне белых и их союзников по Антанте, которые весной начали высадку во Владивостоке. Части чешского корпуса дошли от Урала до Волги, где поддержали самарское антибольшевистское правительство Комитета членов Учредительного собрания (Комуч). Корпус помог сформировать Временное сибирское правительство в Омске, состоявшее из монархистов, эсеров и кадетов. К концу мая чехи взяли Ново-Николаевск, Челябинск и Томск и к концу сентября покончили с советскими правительствами в Сибири.
Приближение чехов к Екатеринбургу решило судьбу Романовых. Вопрос о том, кто отдал приказ убить бывшего царя и его семью, остается спорным. Некоторые историки утверждают, что распоряжение исходило от самого Ленина, тогда как другие доказывают, что решение было принято местным руководством. Источники в основном подкрепляют вторую версию.
17 июля Николай II, Александра Федоровна, пятеро их детей (Ольга, Татьяна, Мария, Анастасия и Алексей), лейб-медик доктор Евгений Боткин и трое оставшихся слуг (Анна Демидова, Иван Харитонов и Алексей Трупп) были разбужены среди ночи охраной Ипатьевского дома; им приказали одеться, отвели в пустую подвальную комнату и расстреляли. Тех, кто умер не сразу, добивали штыками.