Расстрел в Петропавловской крепости стал четвёртым и последним эпизодом в череде убийств Романовых после установления советской власти. Ранее жертвами расправ стали великий князь Михаил Александрович, семья Николая II, члены династии, убитые под Алапаевском, а также их слуги и приближённые. Все они погибли летом 1918 года.
К этому времени четыре великих князя Павел Александрович, Дмитрий Константинович, Николай Михайлович и Георгий Михайлович уже были арестованы или отправлены в ссылку. Двоюродные братья (а Николай и Георгий — родные братья) являлись внуками Николая I.
6 сентября 1918 года после убийства Урицкого и тяжёлого ранения Ленина эсеркой Фанни Каплан в газете «Северная коммуна» был опубликован список заложников, подлежащих расстрелу в случае совершения новых покушений на большевиков. Великие князья оказались первыми в этом списке. Романовых поместили в заключение в Петропавловской крепости — «главной политической тюрьме царизма» и месте захоронения всех русских государей, начиная с Петра I.
По утверждению великого князя Александра Михайловича (Сандро), которому удалось эмигрировать, о помиловании Николая Михайловича Ленина просил Максим Горький. Заступничество объяснялось тем, что заключённый отличался «передовым образом мыслей» и писал ценные исторические труды. Сандро же цитировал, якобы ленинский ответ: «революция не нуждается в историках».
Формальное решение о расстреле заложников было принято 9 января 1919 года Президиумом ВЧК (Яков Петерс, Мартын Лацис, Иван Ксенофонтов). А первое публичное сообщение об исполнении приговора появилось в печати 31 января. В «Петропавловской правде» не были указаны причины казни, её место и дата. Позднее советская власть задним числом придерживалась точки зрения, что расстрел был совершён в ответ на убийство Розы Люксембург и Карла Либкнехта. Однако расправа над немецкими социалистами произошла 15 января, то есть позже, чем было принято решение в ВЧК.
Несоответствие в датах было подтверждено в ходе расследования, проведенного в 90-ые гг. Уголовное дело «О выяснении обстоятельств гибели членов Российского императорского дома и лиц из их окружения в период 1918—1919 годов» было закрыто после того, как следователи не смогли выяснить подробностей о расстреле. Тем не менее, Романовы были реабилитированы. По разным оценкам, их казнили между 24 и 29 января 1919 года.
Различные историки (В. Бережков, американцы Стаффан Скотт и Роберт Масси) пришли к выводу, что великих князей похоронили в общей могиле прямо в Петропавловской крепости. На ее территории и сейчас находят останки жертв красного террора, однако ни одна проведённая экспертиза до сих пор не подтвердила, что какие-то из них принадлежат Романовым. Согласно ФСБ, в архивах отсутствуют данные о месте их казни и захоронения.
Отсутствие каких-либо подробностей не позволяет также назвать имена непосредственных исполнителей расстрела. В мемуарах Александр Михайлович утверждал, что отрядом палачей руководил тюремный надзиратель Гордеенко, «получавший в своё время ценные подарки из Кабинета Его Величества».
Один из последних людей, кто видел живым Павла Александровича, был доктор А. Г. Мальцев, исполнявший обязанности врача-ординатора в Петропавловской крепости. Он помог великому князю установить письменную связь с его женой, жившей в Выборге. В мемуарах Мальцев писал, как однажды услышал «разговор чекистов о том, что сегодня или завтра будет расстрелян Павел Романов». Во время очередного обхода арестантов великий князь заметил встревоженный вид врача и спросил только «Чья очередь?». Чуть позже в палату к Романову пришёл комендант, заложника забрали, и больше его никто не видел.