Баронесса М. П. Фредерикс в своих воспоминаниях писала: «Минута была до того потрясающая, что священник и мы, все присутствующие, рыдали, не имея силы удержаться». Цесаревич еще раз поцеловал Дагмар и что-то ей тихо сказал. После того как причастие закончилось, все присутствующие вышли из комнаты. Остались только император и императрица, великий князь Александр Александрович и Дагмар. Цесаревич Николай Александрович ненадолго заснул, но вскоре начал бредить. Когда император Александр Николаевич вновь подошел к сыну, он пришел в себя, с нежностью протянул к отцу руки и как бы успокоился. Доктора стали настаивать, чтобы больного оставили одного в надежде, что он уснет. Все родные вышли в соседние комнаты, где бедная мать уже не могла сдерживать рыдания.

Приехавший из Вены доктор Опольцер, как и Карель, диагноз Здекауэра подтвердил, но помочь больному врачи были уже бессильны. 11 апреля в 11 часов вечера началась агония. Вся царская семья вошла к умирающему. Все опустились на колени и стали неистово молиться. Дыхание цесаревича стало затрудненным, но неожиданно он внятно и довольно громко произнес те же слова, что когда-то слышал от умирающего деда. Это были всего два слова: «Стоп машина». Эти слова были его последними словами. Теперь он лежал в забытьи. «Три раза, — пишет С. С. Татищев, — начинало духовенство чтение отходной, но дважды прерывало его, потому что в первый раз умирающий совершил над собою крестное знамение, а во второй раз в глазах его заметили слезы».

В понедельник 12 апреля в 10 минут первого часа ночи цесаревич тихо скончался. «Что произошло тогда с родителями, семейством и невестой, — писала в своих мемуарах баронесса Фредерикс, — невозможно ни описать, ни рассказать».

С помощью сыновей Александр II сам положил тело цесаревича в гроб, который стоял в опочивальне. Комната была заполнена цветами, которые так любил юный цесаревич. Позже, когда тело покойного будет предано земле в Петропавловском соборе в Санкт-Петербурге, рядом с надгробием будет расти в кадке большая пальма, привезенная из Ниццы, а рядом с ней будет стоять маленький букет фиалок, который каждый год посылал из Ниццы близкий друг императорской семьи поэт Петр Вяземский, посвятивший ушедшему цесаревичу стихи «Был вечер, у берега морского…».

12 апреля 1865 года Ницца погрузилась в глубокий траур. У виллы Вермонт в парке стоял траурный почетный караул — пятьдесят стрелков французской императорской армии, кавалерийский эскадрон из Марселя и русские матросы из Вильфранша. Все вокруг было в траурных лентах; сабли офицеров были покрыты черным крепом. На всех общественных зданиях были приспущены флаги. Корабли, стоявшие на рейде Ниццы и Вильфранша, также в знак траура приспустили флаги.

Вечером 16 апреля тело покойного цесаревича при свете факелов и свечей было торжественно перенесено на улицу Лоншан, где несколько лет назад императрица Александра Федоровна (супруга Николая I, бабушка покойного) построила маленькую Русскую церковь. Гроб из покоев Николая Александровича до колесницы несли сам государь, его сыновья, генерал-адъютант и члены царской свиты. Похоронная колесница был запряжена восемью вороными лошадьми. Конная жандармерия по обеим сторонам колесницы вместе с пешими егерями французской императорской гвардии сопровождала колесницу, а рядом шагали шеренги гвардейских казаков.

Всюду раздавалась траурная музыка. Музыканты самых различных подразделений, в том числе первого батальона 3-го пехотного полка, двух десантных рот французской морской пехоты, батареи морских гаубиц, батальона пеших егерей французской императорской гвардии, корпуса пожарных составляли траурный оркестр, который звучал особенно торжественно и скорбно. На бархатных подушечках несли ордена и награды юного цесаревича. В длинной траурной процессии шествовали певчие и духовенство, среди которых был духовник великого князя священник Прилежаев.

За шеренгами гвардейских казаков вместе с пешими егерями французской императорской гвардии шел сам император Александр II, а за ним шесть его адъютантов. Далее следовали братья покойного — великие князья Александр, Владимир и Алексей, затем герцог Николай Лейхтенбергский, герцог Георгий Мекленбургский и принц Александр Гессен-Дармштадтский, представители иностранных государств, личная свита покойного великого князя и их императорских величеств.

Убитая горем мать ехала в специальной коляске вместе со своими младшими детьми: Сергеем, Павлом и Марией. Далее следовали коляски придворных дам из свиты императрицы, затем различных российских сановников, гражданских и политических высших должностных лиц, членов русской колонии в Ницце. Замыкало процессию подразделение русских моряков.

Под залпы французских батарей и траурные марши военных оркестров государь император с сыновьями внесли гроб в Русскую церковь, но она была так мала, что могла вместить только членов императорской семьи и нескольких приближенных.

Началась заупокойная служба. После ее окончания наступила минута прощания. Император, стараясь сохранять спокойствие, целует покойного сына в лоб, затем целует его руку. Прощается с любимым братом и великий князь Александр. Он тоже целует брата, но нервы его не выдерживают, и он с рыданиями бросается к отцу. Оба плачут.

Наступает очередь Дагмар. Бледная как полотно, она подходит к своему бывшему жениху. Все напряжены. Кажется, что она вот-вот упадет. Но огромным усилием воли она удерживается на ногах и, поцеловав своего любимого Никсу, возвращается к матери.

16 и 17 апреля гроб с телом цесаревича выставлен в церкви для прощания. Служат по две панихиды в день.

17 апреля после утренней панихиды зачитывается императорский манифест, в котором объявляется, что отныне великого князя Александра Александровича следует величать великим князем и наследником. Несколько дней спустя Александр Александрович записал в дневнике: