В конце февраля 1917 в Петрограде начались волнения, которые, не встречая серьезного противодействия со стороны властей, через несколько дней переросли в массовые выступления против правительства и династии. Первоначально царь намеревался силой навести порядок в Петрограде, но когда выяснился масштаб беспорядков, отказался от этой мысли, опасаясь большого кровопролития. Некоторые высокопоставленные военные чины, члены императорской свиты и политические деятели убеждали царя в том, что для умиротворения страны требуется перемена правления, необходимо отречение его от трона. 2 марта 1917 в Пскове, в салон-вагоне императорского поезда, после мучительных раздумий Николай подписал акт отречения от престола, передав власть своему брату великому князю Михаилу Александровичу, который не принял корону.

9 марта Николай и царская семья были арестованы. Первые пять месяцев они находились под охраной в Царском Селе, в августе 1917 их переправили в Тобольск. В апреле 1918 большевики перевели Романовых в Екатеринбург. В ночь на 17 июля 1918 в центре Екатеринбурга, в подвале дома Ипатьева, где узники находились в заточении, Николай, царица, пятеро их детей и несколько приближенных (всего 11 человек) были без суда и следствия расстреляны.

Предполагаемы останки захоронены в Петропавловском соборе в Санкт-Петербурге.

Канонизирован вместе с семьей Русской зарубежной церковью, а после Русской православной церковью.