Terwijl de Romanovs op 16 juli 1918 aan het eten waren, ging Yurovsky de zitkamer binnen en vertelde hen dat keukenjongen Leonid Sednev vertrok om zijn oom, Ivan Sednev, te ontmoeten, die naar de stad was teruggekeerd met het verzoek hem te zien; Ivan was al neergeschoten door de Cheka. De familie was erg overstuur omdat Leonid Alexei’s enige speelkameraadje was en hij het vijfde lid van de keizerlijke entourage was dat van hen werd weggenomen, maar Yurovsky verzekerde ze dat hij snel terug zou komen. Alexandra vertrouwde Yurovsky niet en schreef enkele uren voor haar dood in haar laatste dagboekaantekening: “Of het waar is en we zullen de jongen weer terugzien!”. Leonid werd die nacht vastgehouden in het Popovhuis. Yurovsky zag geen reden om hem te vermoorden en wilde dat hij werd verwijderd voordat de executie plaatsvond.
Op 17 juli rond middernacht beval Yurovsky de arts van de Romanovs, Eugene Botkin, om het slapende gezin wakker te maken en hen te vragen hun kleren aan te trekken, onder het voorwendsel dat het gezin naar een veilige locatie zou worden verplaatst vanwege de dreigende chaos in Jekaterinenburg. De Romanovs werden vervolgens in een semi-kelderkamer van 6 mx 5 m (20 ft x 16 ft) gebracht. Alexandra vroeg om een stoel omdat ze ziek was, en Nicholaas vroeg om een tweede voor Alexej. Yurovsky’s assistent Grigory Nikulin merkte tegen hem op dat de “erfgenaam in een stoel wilde sterven. Goed dan, geef hem er een.” De gevangenen kregen te horen dat ze in de kelderkamer moesten wachten terwijl de vrachtwagen die hen zou vervoeren naar het huis werd gebracht. Een paar minuten later werd een executiepeloton van de geheime politie binnengebracht en Yurovsky las het bevel voor dat hem door het Uitvoerend Comité van de Ural was gegeven:
‘Nikolaj Alexandrovitsj, gezien het feit dat uw familieleden hun aanval op Sovjet-Rusland voortzetten, heeft het Uitvoerend Comité van de Oeral besloten u te executeren.’
Nicholaas keek naar zijn familie, draaide zich om en zei: ‘Wat? Wat?’ Yurovsky herhaalde snel het bevel en de wapens werden geheven. Volgens de herinnering van een bewaker hadden tsarina Alexandra en groothertogin Olga geprobeerd zichzelf te zegenen, maar dat mislukte tijdens de schietpartij. Yurovsky hief naar verluidt zijn Colt-pistool op de romp van Nicholaas en schoot; Nicholaas viel dood neer, doorboord met minstens drie kogels in zijn borst. De dronken Peter Ermakov, de militaire commissaris van Verkh-Isetsk, schoot Alexandra dood met een schotwond in het hoofd. Vervolgens schoot hij op Maria, die naar de dubbele deuren rende, en schoot haar in haar dij. De overgebleven beulen schoten chaotisch en over elkaars schouders totdat de kamer zo gevuld was met rook en stof dat niemand in de duisternis iets kon zien en tussen het lawaai geen bevelen meer kon horen.
Alexey Kabanov, die de straat op rende om de geluidsniveaus te controleren, hoorde honden blaffen vanuit de vertrekken van de Romanovs en het geluid van geweerschoten luid en duidelijk ondanks het geluid van de Fiat-motor. Kabanov haastte zich vervolgens naar beneden en zei tegen de mannen dat ze moesten stoppen met schieten en de familie en hun honden moesten doden met hun geweerkolven en bajonetten. Binnen enkele minuten werd Yurovsky gedwongen het schieten te stoppen vanwege de bijtende rook van verbrand buskruit, stof van het gipsplafond veroorzaakt door de weerkaatsing van kogels en de oorverdovende geweerschoten. Toen ze stopten, werden de deuren geopend om de rook te verspreiden. Terwijl ze wachtten tot de rook was afgenomen, konden de moordenaars in de kamer gekreun en gejammer horen. Het was duidelijk, dat alleen de kinderen nog leefden en Maria gewond was geraakt.
Het geluid van de wapens was door huishoudens overal gehoord, waardoor veel mensen wakker werden. De beulen kregen de opdracht hun bajonetten te gebruiken, een techniek die niet effectief bleek en betekende dat de kinderen met nog meer geweerschoten moesten worden gedood, dit keer nauwkeuriger op hun hoofd gericht. De tsarevitsj was de eerste van de kinderen die werd geëxecuteerd. Yurovsky keek vol ongeloof toe hoe Nikulin een heel magazijn van zijn Browning-pistool besteedde aan Alexej, die nog steeds gefixeerd in zijn stoel zat; hij had ook juwelen in zijn onderkleding en voedermuts genaaid. Ermakov schoot en stak hem neer, en toen dat niet lukte, duwde Yurovsky hem opzij en doodde de jongen met een schot in het hoofd. De laatsten die stierven waren Tatjana, Anastasia en Maria, die een paar pond (ruim 1,3 kilogram) diamanten bij zich hadden die in hun kleding waren genaaid, wat hen een zekere mate van bescherming tegen het vuur had gegeven. Ze werden echter ook met bajonetten doorboord. Olga liep een schotwond in het hoofd op. Maria en Anastasia zouden in paniek tegen een muur zijn gehurkt en hun hoofd bedekten totdat ze werden neergeschoten. Yurovsky vermoordde Tatjana en Alexej. Tatjana stierf door een enkel schot in haar achterhoofd. Alexej kreeg twee kogels in het hoofd, vlak achter het oor. Anna Demidova, het dienstmeisje van Alexandra, overleefde de eerste aanval, maar werd snel doodgestoken tegen de achtermuur terwijl ze zichzelf probeerde te verdedigen met een klein kussen dat ze bij zich had en dat gevuld was met kostbare edelstenen en juwelen. Terwijl de lichamen op brancards werden gelegd, schreeuwde een van de meisjes het uit (sommige verhalen zeggen twee of meer) en bedekte haar gezicht met haar arm . Ermakov pakte het geweer van Alexander Strekotin en stak haar met een bajonet in de borst, maar toen het niet doordrong, haalde hij zijn revolver tevoorschijn en schoot haar in het hoofd.
Terwijl Yurovsky de slachtoffers controleerde op hartslagen, liep Ermakov door de kamer, terwijl hij de lichamen met zijn bajonet zwaaide. De executie duurde ongeveer 20 minuten, waarbij Yurovsky later toegaf dat Nikulin “slechte beheersing van zijn wapen en onvermijdelijke zenuwen” had. Toekomstig onderzoek berekende dat er mogelijk 70 kogels werden afgevuurd, ongeveer zeven kogels per schutter, waarvan er 57 werden gevonden in de kelder en op alle drie de daaropvolgende graven. Enkele brancarddragers van Pavel Medvedev begonnen de lichamen te fouilleren op waardevolle spullen. Yurovsky zag dit en eiste dat ze alle geroofde spullen zouden inleveren of zouden worden neergeschoten. De poging tot plundering, in combinatie met Ermakovs incompetentie en dronken toestand, overtuigde Yurovsky ervan zelf toezicht te houden op de verwijdering van de lichamen. Alleen de spaniël van Alexej, Joy, overleefde en werd gered door een Britse officier van de Allied Intervention Force, en bracht zijn laatste dagen door in Windsor, Berkshire.
Alexandre Beloborodov stuurde een gecodeerd telegram naar Lenins secretaris, Nikolai Gorbunov. Het werd gevonden door de blanke onderzoeker Nikolai Sokolov en luidt:
Informeer Sverdlov dat de hele familie hetzelfde lot heeft ondergaan als het hoofd. Officieel zal het gezin bij de evacuatie overlijden.’
Aleksandr Lisitsyn van de Tsjeka, een essentiële getuige namens Moskou, werd aangewezen om onmiddellijk na de executie van de politiek waardevolle dagboeken en brieven van Nicolaas en Alexandra onmiddellijk naar Sverdlov te sturen, die zo snel mogelijk in Rusland zouden worden gepubliceerd. Beloborodov en Nikulin hielden toezicht op de plundering van de Romanov-verblijven, waarbij ze alle persoonlijke spullen van de familie in beslag namen, waarvan de meest waardevolle opgestapeld waren in het kantoor van Yurovsky, terwijl dingen die als onbelangrijk en van geen waarde werden beschouwd in de kachels werden gestopt en verbrand . Alles werd in de eigen koffers van de Romanovs gepakt om onder escorte van commissarissen naar Moskou te worden verzonden. Op 19 juli nationaliseerden de bolsjewieken alle geconfisqueerde Romanov-eigendommen, dezelfde dag dat Sverdlov de executie van de tsaar aankondigde aan de Raad van Volkscommissarissen.
