Распутин был убит в ночь на 17 декабря (по старому стилю)  1916 года во дворце Юсуповых на Мойке. Заговорщики: Ф. Ф. Юсупов, В. М. Пуришкевич, великий князь Дмитрий Павлович, офицер британской разведки МИ-6 Освальд Рейнер – хотя следствие и официально не причислило его к убийству. 
Сведенья о убийстве противоречивы, были запутаны как самими убийцами, так и давлением на следствие российских, британских и советских властей. Сам Юсупов изменял показания несколько раз: в полиции Санкт-Петербурга в 1916 году он говорил одно, через года – другое. Также были опубликованы воспоминания Пуришкевича, которые тоже не внесли ясности: второй участник убийства путался в показаниях. 

Так или иначе, но сегодня общепринятая картина убийства следующая: Распутина сначала заманили в подвал, угостив красным вином и пирогом, отравленным цианистым калием. Юсупов ушёл наверх, и, вернувшись, выстрелил ему в спину, отчего тот упал. Заговорщики ушли на улицу. Вернувшийся за плащом Юсупов проверил тело, неожиданно Распутин очнулся и попытался задушить убийцу. Вбежавшие в этот момент заговорщики начали стрелять в Распутина. Приблизившись, удивились, что он ещё жив, и стали избивать его. По словам убийц, отравленный и расстрелянный Распутин пришёл в себя, выбрался из подвала и попытался перелезть высокую стену сада, но был пойман убийцами, услышавшими поднявшийся собачий лай. Затем его связали верёвками по рукам и ногам (по словам Пуришкевича, замотав сначала в синюю ткань), отвезли на автомобиле к заранее выбранному месту недалеко от Каменного острова и сбросили с моста в полынью Невы таким образом, что тело оказалось подо льдом. Однако по материалам следствия обнаруженный труп был одет в шубу, не было ни ткани, ни верёвок.

Расследование убийства Распутина, которым руководил директор Департамента полиции А. Т. Васильев, продвигалось довольно быстро. Уже первые допросы членов семьи и слуг Распутина показали, что в ночь убийства Распутин отправился в гости к князю Юсупову. Городовой Власюк, дежуривший в ночь с 16 на 17 декабря на улице неподалёку от дворца Юсуповых, показал, что ночью слышал несколько выстрелов. При обыске во дворе дома Юсуповых были обнаружены следы крови.

Днем 17 декабря возле Петровского моста было обнаружено тело Распутина. Судебно-медицинскую экспертизу поручили известному профессору Военно-Медицинской Академии Д. П. Косоротову. Оригинал протокола вскрытия не сохранился, о причинах смерти можно говорить лишь предположительно. 

«При вскрытии найдены весьма многочисленные повреждения, из которых многие были причинены уже посмертно. Вся правая сторона головы была раздроблена, сплющена вследствие ушиба трупа при падении с моста. Смерть последовала от обильного кровотечения вследствие огнестрельной раны в живот. Выстрел произведен был, по моему заключению, почти в упор, слева направо, через желудок и печень с раздроблением этой последней в правой половине. Кровотечение было весьма обильное. На трупе имелась также огнестрельная рана в спину, в области позвоночника, с раздроблением правой почки, и ещё рана в упор, в лоб, вероятно, уже умиравшему или умершему. Грудные органы были целы и исследовались поверхностно, но никаких следов смерти от утопления не было. Легкие не были вздуты, и в дыхательных путях не было ни воды, ни пенистой жидкости. В воду Распутин был брошен уже мертвым.» 

Следствие длилось два с половиной месяца – вплоть до отречения императора Николая II.