Чекисты внимательно наблюдали за действиями Михаила Александровича и после прихода большевиков к власти, и в феврале 1918 года, когда ухудшилась ситуация в стране и началось германское наступление на Петроград. 9 марта 1918 года по докладу Урицкого Совнарком принял постановление «О высылке великого князя М. А. Романова и других лиц в Пермскую губернию». Окончательное решение о высылке великого князя было подписано В. Лениным. В Пермь вместе с князем добровольно поехали его личный секретарь англичанин Брайан (Николай Николаевич) Джонсон, камердинер В. Ф. Челышев и шофер Л. Я. Брунов.
Н. С. Брасова также хотела разделить участь мужа и сопровождать его, однако Михаил Александрович уговорил ее остаться в Гатчине. В мае 1918 года она приехала в Пермь, но ее пребывание там было недолгим. По свидетельству председателя английской миссии Р. Вильтона, по возвращении из Перми графиня Брасова встречалась с В. И. Лениным и ставила перед ним вопрос о разрешении Михаилу Романову выезд из России. Ее просьба осталась без ответа. Позже, уже после убийства мужа, она сама станет узницей Петропавловской крепости, и только благодаря помощи датского посла X. Скавениуса и датского Красного Креста в одежде сестры милосердия ей вместе с сыном Георгием удастся вырваться из России.
По приезде в Пермь Михаил Романов направил Бонч-Бруевичу и Урицкому телеграммы, в которых говорилось: «Сегодня двадцатого [марта] объявлено распоряжение местной власти немедленно водворить нас всех [в] одиночное заключение [в] пермскую тюремную больницу, вопреки заверению Урицкого о жительстве [в] Перми на свободе, но разлучно с Джонсоном, который телеграфировал Ленину, прося Совет [Народных комиссаров] не разлучать нас ввиду моей болезни и одиночества. Ответа нет. Местная власть, не имея никаких директив центральной [власти], затрудняется, как иначе поступить. Настоятельно прошу незамедлительно дать таковые. Михаил Романов». В ответ были получены две телеграммы: первая — из Совнаркома за подписью Бонч-Бруевича и вторая — из петроградской ЧК за подписью Урицкого, в которых говорилось, «что в силу постановления Михаил Романов и Джонсон имеют право жить на свободе под надзором местной советской власти».
Некоторое время великий князь жил в номерах гостиницы при бывшем благородном собрании. Пермский губисполком по предложению центральных властей поручил надзор местной ЧК. Михаил Александрович в своем дневнике 8 (21) мая 1918 года записал: «В 11 час. Джонсон, Василий [Челышев] и я отправились в Пермскую окружную Чрезвычайную Комиссию по борьбе с контрреволюцией, спекуляцией и саботажем. Я получил бумагу, в которой мне предлагается являться туда ежедневно в 11 час. (люди добрые, скажите, что это такое)…»
Сохранился дневник великого князя, который он вел с чрезвычайной аккуратностью. Последняя запись в нем датирована 11 июня, то есть за день до расстрела. Группа чекистов-большевиков во главе с Мясниковым арестовала в гостинице «Королевские номера» великого князя и его секретаря Джонсона.
По имеющимся в распоряжении исследователей документам, великого князя Михаила Александровича расстреляли в ночь на 13 июня 1918 года.
После убийства великого князя большевистские газеты распространили дезинформацию о похищении Михаила Александровича и его секретаря Джонсона неизвестными лицами, а также о его побеге из Перми.
В течение многих лет существовала лишь одна версия, основанная на воспоминаниях убийц великого князя, согласно которой Михаил Александрович вместе со своим секретарем был вывезен за город в Мотовилиху и там расстрелян. По свидетельствам чекиста Новоселова, одного из участников убийства, «трупы были закопаны в землю, а на одном из сосновых деревьев вырезаны перочинным ножом… четыре буквы В. К. М. Р., то есть что здесь расстрелян Великий Князь Михаил Романов». Эта версия на сегодняшний день не может быть признана окончательно достоверной, так как опирается на воспоминания (рукописные оригиналы) участников похищения и «ликвидации» великого князя: В. А. Иванченко, А. В. Маркова, И. Ф. Колпащикова, Н. В. Жужгова и машинописную копию письма бывшего мотовилихинского милиционера П. Т. Новоселова, и только.
Сегодня существуют и другие версии гибели великого князя. В том числе, что он был убит в загородном местечке под названием Архирейка и что надпись В. К. М. Р., о которой пишет один из убийц, была сделана не на дереве, а якобы на теле великого князя. Наконец, согласно бытующим устным рассказам местного населения историкам и журналистам, побывавшим в последние годы в Перми и ее окрестностях, великий князь Михаил Александрович был сожжен в топке Мотовилихинского завода.