Обстоятельства смерти Петра III до сих пор окончательно не выяснены.

Низложенный император тотчас после переворота в сопровождении караула гвардейцев во главе с А. Г. Орловым был отправлен в Ропшу в 30 верстах от Петербурга, где через неделю погиб. По официальной (и наиболее вероятной^{[L 7]}) версии, причиной смерти был приступ геморроидальных колик, усилившийся от продолжительного употребления алкоголя, и сопровождавшихся поносом. При вскрытии (которое проводилось по приказу Екатерины) обнаружилось, что у Петра III была выраженная дисфункция сердца, воспаление кишечника, были признаки апоплексии.

Однако общераспространённая версия называет убийцей Алексея Орлова. Сохранилось три письма Алексея Орлова Екатерине из Ропши, первые два — в подлинниках. В третьем письме недвусмысленно говорится о насильственном характере смерти Петра III:

Матушка, его нет на свете, но никто сего не думал, и как нам задумать поднять руки на Государя. Но, государыня, свершилась беда: мы были пьяны, и он тоже, он заспорил с князь Фёдором [Барятинским]; не успели мы рознять, а его уже не стало.[L 7]

Третье письмо — единственное (известное на сегодняшний день) документальное свидетельство об убийстве низложенного императора. До нас это письмо дошло в копии, снятой Ф. В. Ростопчиным; оригинал письма был якобы уничтожен императором Павлом I в первые дни его царствования. Недавние историко-лингвистические исследования^{[L 14]} опровергают подлинность документа (оригинала, по-видимому, никогда не существовало, а подлинным автором фальшивки является Ростопчин). Слухи (малодостоверные) называли также убийцами Петра Г. Н. Теплова, секретаря Екатерины, и гвардейского офицера А. М. Шванвича (сына Мартина Шванвица; сын А. М. Шванвича, Михаил, перешёл на сторону пугачёвцев и стал прототипом Швабрина в «Капитанской дочке»Пушкина), якобы задушивших его ружейным ремнём. Император Павел I был убеждён в том, что его отца насильственно лишили жизни, однако никаких доказательств того ему разыскать, по всей видимости, не удалось.

Два первых письма Орлова из Ропши обычно привлекают меньше внимания, несмотря на их несомненную подлинность:

<1.> Урод наш очень занемог и охватила его нечаенная колика, и я опасен, штоб он сегоднишную ночь не умер, а больше опасаюсь, штоб не ожил <…> <2.> Боюсь гнева вашего величества, штоб вы чего на нас неистоваго подумать не изволили и штоб мы не были притчиною смерти злодея вашего <…> он сам теперь так болен, што не думаю, штоб он дожил до вечера и почти совсем уже в беспамятстве, о чём и вся команда здешняя знает и молит бога, штоб он скорей с наших рук убрался.[L 7]

Из писем следует только, что отрёкшийся государь внезапно занемог; насильно лишать его жизни гвардейцам не потребовалось (даже если очень хотелось) ввиду скоротечности тяжёлой болезни.^{[L 7]}

Уже в наши дни провели ряд медицинских экспертиз на основании сохранившихся документов и свидетельств. Эксперты полагают, что Пётр III страдал маниакально-депрессивным психозом в слабой стадии (циклотимия) с неярко выраженной депрессивной фазой; страдал от геморроя, отчего не мог долго сидеть на одном месте; «маленькое сердце», обнаруженное при вскрытии, обычно предполагает дисфункцию и других органов, делает более вероятным нарушение кровообращения, то есть создаёт опасность инфаркта или инсульта.^[3]

Алексей Орлов лично докладывал императрице о смерти Петра. Екатерина, по свидетельству Н. И. Панина^{[L 15]}, бывшего при этом, залилась слезами и молвила: «Слава моя погибла! Никогда потомство не простит мне этого невольного преступления». Екатерине II, с политической точки зрения, была невыгодна смерть Петра («слишком рано для её славы», Е. Р. Дашкова^{[L 3]}). Переворот (или «революция»,^{[L 1]} как иногда определяют события июня 1762), произошедший при полной поддержке гвардии, дворянства и высших чинов империи ограждал её от возможных посягательств на власть со стороны Петра и исключал возможность формирования вокруг него какой бы то ни было оппозиции. К тому же Екатерина достаточно хорошо знала мужа, чтобы всерьёз опасаться его политических устремлений.

Первоначально Пётр III был похоронен безо всяких почестей в Александро-Невской лавре, так как в Петропавловском соборе, императорской усыпальнице, хоронили только коронованных особ. Сенат в полном составе просил императрицу не присутствовать на похоронах.^{[L 1]}

Но, по некоторым сведениям, Екатерина решила по-своему; приехала в лавру инкогнито и отдала последний долг своему мужу.^{[L 9]} В 1796, сразу после кончины Екатерины, по приказу Павла I его останки были перенесены сначала в домовую церковь Зимнего дворца, а затем в Петропавловский собор. Петра III перезахоронили одновременно с погребением Екатерины II; император Павел при этом собственноручно произвёл обряд коронования праха своего отца.

В изголовных плитах погребённых стоит одна и та же дата погребения (18 декабря 1796), отчего складывается впечатление, что Пётр III и Екатерина II прожили вместе долгие годы и умерли в один день.