Государь подписал прошение об отставке, оставив за дядей пост командующего Московским военным округом.
Елизавета Федоровна с мужем и племянниками, Марией и Дмитрием, переехали из губернаторского дома в Александрийский дворец в Нескучном саду, но вскоре перебрались в Николаевский дворец в Кремле возле Чудова монастыря – казалось, что там безопасней.
Утро 4 февраля 1905 года Елизавета Федоровна долго вспоминала в мельчайших подробностях. За завтраком Сергей находился в хорошем настроении: накануне он получил от императора миниатюрный портрет покойного государя Александра III в обрамлении лаврового венка из золота и с удовольствием разглядывал подарок. Зато сама Елизавета Федоровна, как она потом говорила близким, с самого утра испытывала безотчетную тревогу и тоску. Обычно она не вмешивалась в дела мужа, а тут впервые чуть не со слезами на глазах стала уговаривать Сергея отказаться от предстоящей поездки в Петербург.
Днем Сергей Александрович решил съездить в губернаторский дом, чтобы забрать некоторые оставшиеся после переезда личные вещи. Елизавета Федоровна должна была подъехать туда позже.
Между двумя и тремя часами дня великий князь выехал из Николаевского дворца. Карета уже доехала до окружных ворот, как вдруг раздался сильный взрыв. Елизавета Федоровна побледнела и со словами «Это Сергей!» выбежала на улицу. Кто-то на ходу успел набросить ей на плечи плащ.
Террорист Иван Каляев, переодетый ямщиком, с расстояния в четыре шага бросил бомбу в карету великого князя Сергея Александровича. Предполагают, что бомба упала ему на колени. Смерть сорокавосьмилетнего великого князя последовала мгновенно.
«На Сенатской площади, не доходя до Никольской площади, уже толпился народ. Ее хотели не допустить, но она пробилась к месту, где лежали останки бедного Сергея – часть туловища с ногою, оторванная рука, обрывки тела, платье. Она припала к кисти его правой руки, сняла кольца. Лицо ее было в крови несчастного. Нашлись обрывок золотой цепочки и уцелевшие тельный крест и образки», – так великий князь Константин Константинович описал в дневнике события, произошедшие на месте взрыва.
Позднее Елизавета Федоровна говорила сестре, принцессе Виктории, что в эти страшные минуты думала только об одном: «Скорее, скорее – Сергей так ненавидел беспорядок и кровь».