Durante il settimo mese della sua seconda gravidanza, Alessandra fece una passeggiata con i suoi amici sulla riva del fiume Moscova. Il giorno dopo accusò dei violenti dolori causati dall'attività del giorno precedente. Alessandra morì ad appena 21 anni, sei giorni dopo aver dato alla luce il figlio Dmitrij a Ilyinskoe, proprietà dei Romanov nei pressi di Mosca. La granduchessa fu sepolta nella Cattedrale di Pietro e Paolo a San Pietroburgo.
I figli vennero adottati e cresciuti dagli zii Elizaveta Fëdorovna e Sergej Aleksandrovič Romanov.
Nel 1939, durante il regno del nipote di Alessandra, Giorgio II di Grecia, il governo greco ottenne il permesso da parte del governo sovietico di trasportare i resti della principessa in Grecia, dove è sepolta nei pressi del Palazzo Tatoi. Una lapide in marmo la ricorda ancora nella Cattedrale di Pietro e Paolo a San Pietroburgo.