На седьмой день после переворота при не вполне выясненных до сих пор обстоятельствах Петр III был умерщвлен. Народу же официально объявили, что Петр Федорович скончался от геморроидальной колики, случившейся «по воле божественного Провидения». Приказано было устроить ему пристойные похороны, но без оказания царских почестей.

Согласно запискам секретаря саксонского посольства Георга фон Гельбиха, во время совместной с узником трапезы, когда тот уже принял предложенное ему питье, Алексей Орлов набросился на императора, но тот стал умолять и сопротивляться, отчего Орлов якобы разжалобился и выбежал на террасу. В это время остальные его сообщники набросились на уже отравленного узника и стали душить его подушками. Завязалась борьба, в ходе которой князь Барятинский сделал из лежавшей на столе салфетки петлю и набросил ее на шею императора. Отчаянные попытки несчастного вырваться были сломлены после того, как убийцы схватили жертву за руки и за ноги, преодолевая его судорожное сопротивление. Это дало возможность сержанту гвардии Энгельгардту затянуть петлю на шее Петра Федоровича.

Придворная дама Александра Осиповна Смирнова записала в своих воспоминаниях: «Фельдмаршал Барятинский совсем иначе рассказывал мне историю убийства Петра III. Он говорил, что князь Иван Барятинский играл в карты с самим государем. Они пили и поссорились за карты. Петр рассердился и ударил Барятинского, тот наотмашь ударил его в висок и убил его».

Как бы то ни было, вечером Екатерина получила пакет от нарочного из Ропши, в котором было письмо, писанное Алексеем Орловым.

«Матушка милосердая Государыня! Как мне изъяснить, описать что случилось: не поверишь верному своему рабу; но как перед Богом скажу истину. Матушка! Готов идти на смерть; но сам не знаю, как эта беда случилась. Погибли мы, когда ты не помилуешь. Матушка, его нет на свете. Но никто сего не думал, как нам задумать поднять руки на государя. Но, Государыня, свершилась беда. Он заспорил за столом с князем Федором; не успели мы разнять, а его уже и не стало. Сами не помним, что делали; но все до единого виноваты, достойны казни. Помилуй меня хоть для брата. Повинную тебе принес, и разыскивать нечего. Прости или прикажи скорее окончить. Свет не мил: прогневили тебя и погубили души на век».

В депеше министру иностранных дел or 23 июля французский поверенный в делах в России Лоран Беранже не удержался от восклицания: «Что за картина предстает взорам всей нации! С одной стороны, внук Петра I, свергнутый с престола и преданный смерти; с другой, внук царя Иоанна, томящийся в оковах, в то время как принцесса Ангальт-Цербстская присваивает себе корону, начиная царствование с цареубийства».

Петр III был похоронен в Благовещенской церкви Александро-Невской лавры.

Тело его спустя 34 года по повелению императора Павла I было извлечено из земли, торжественно перенесено в Зимний дворец. Прах Петра положили в новый гроб и на некоторое время выставили на парадное ложе в Лаврской церкви, где ему воздавались те же почести, что и Екатерине при ее гробе в Зимнем дворце. Поскольку при жизни Петр не был коронован, то на гроб Петра Павел возложил корону. Затем останки Петра торжественно перевезли из Невского монастыря в Зимний дворец и поставили возле гроба Екатерины.