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 (18) 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.
В последние годы царствования Пётр сильно болел (предположительно, почечнокаменная болезнь, осложнённая уремией). 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 Санкт-Петербург. У Лахты ему пришлось, стоя по пояс в воде, спасать севший на мель бот с солдатами. Приступы болезни усилились, но Пётр, не обращая на них внимания, продолжал заниматься государственными делами. 17 (28) января 1725 года ему пришлось так худо, что он распорядился поставить в соседней со своей спальней комнатой походную церковь, а 22 января (2 февраля) 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 января (7 февраля) на 28 января (8 февраля) 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 (8 февраля). 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 в страшных мучениях в своём Зимнем дворце у Зимней канавки по официальной версии от воспаления лёгких. Похоронен он был в соборе Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге. Вскрытие показало следующее: «резкое сужение в области задней части мочеиспускательного канала, затвердение шейки мочевого пузыря и антонов огонь». Смерть последовала от воспаления мочевого пузыря, перешедшего в гангрену на почве задержки мочи, вызванной сужением мочеиспускательного канала.
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.