Родился 18 (28) февраля 1690 года в Преображенском. Крещён 23 февраля (5 марта) 1690 года, восприемники — патриарх Иоаким и царевнаТатьяна Михайловна. Тезоименитство 17 марта, небесный покровитель — Алексий, человек Божий.

Был женат на принцессе Шарлотте Кристине Софии Брауншвейг-Вольфенбюттельской, сестре Елизаветы, супруги императора Карла VI. Дети — Наталья (1714–1728) и Пётр (1715–1730), впоследствии император Пётр II. Шарлотта скончалась вскоре после рождения сына, и царевич завёл любовницу Ефросинью, с которой ездил в Европу и которая позже допрашивалась по его делу и была оправдана.

В 1716 году в результате конфликта с отцом, который хотел отстранить его от наследования, Алексей с помощью Кикина (начальника Санкт-Петербургского адмиралтейства) тайно бежал в Вену и вёл там сепаратные переговоры с европейскими правителями, включая родственника своей жены австрийского императора Карла. Для сохранения секретности австрийцы переправили Алексея в Неаполь. Алексей планировал дождаться на территории Австрийской империи смерти Петра (который в этот период тяжело болел) и затем, опираясь на помощь австрийцев, стать русским царём.