«Против всех моих забот, пишет он в одном из писем к товарищам, я остался 4 [17] февраля жив. Я бросал на расстоянии четырех шагов, не более, с разбега, в упор, я был захвачен вихрем взрыва, видел, как разрывалась карета. После того, как облако рассеялось, я оказался у остатков задних колес. Помню, в меня пахнуло дымом и щепками прямо в лицо, сорвало шапку. Я не упал, а только отвернулся. Потом увидел шагах в пяти от себя, ближе к воротам, комья великокняжеской одежды и обнаженное тело Шагах в десяти за каретой лежала моя шапка, я подошёл, поднял её и надел. Я огляделся. Вся поддевка моя была истыкана кусками дерева, висели клочья, и она вся обгорела. С лица обильно лилась кровь, и я понял, что мне не уйти, хотя было несколько долгих мгновений, когда никого не было вокруг. Я пошёл В это время на меня чуть не наехали сыщичьи сани, и чьи-то руки овладели мной. Я не сопротивлялся. Вокруг меня засуетились городовой, околоток и сыщик Я пожалел, что не могу пустить пулю в этого доблестного труса» (там же).
Взрыв бомбы, брошенной Калевым, был слышен даже на окраинах Москвы. Особенно сильный переполох произошёл в здании суда. Многие подумали, что это землетрясение, другие, что рушится само здание суда. Все окна по фасаду были выбиты, судьи, канцеляристы попадали со своих мест. Когда через десять минут пришли в себя и догадались, в чем дело, то многие бросились из здания суда к месту взрыва. На месте казни лежала бесформенная куча, вышиной вершков в десять (около полуметра), состоявшая из мелких частей кареты, одежды и изуродованного тела. Голова Сергея Александровича не отыскалась.
«Правительственный вестник» так описывал смерть великого князя: «Неизвестный злоумышленник бросил в карету его высочества бомбу. Взрывом, происшедшим от разорвавшейся бомбы, великий князь был убит на месте, а сидевшему на козлах кучеру Андрею Рудинкину были причинены многочисленные тяжкие телесные повреждения. Тело великого князя оказалось обезображенным, причем голова, шея, верхняя часть груди с левым плечом и рукой, были оторваны и совершенно разрушены, левая нога переломлена, с раздроблением бедра, от которого отделилась нижняя его часть, голень и стопа. Силой произведенного злоумышленником взрыва кузов кареты, в которой следовал великий князь, был расщеплен на мелкие куски, и кроме того были выбиты стекла наружных рам ближайшей к Никольским воротам Кремля части зданий судебных установлений и расположенного против этого здания арсенала» (ГАРФ).
7 (20) февраля 1905 года директор Департамента полиции Алексей Лопухин по просьбе вдовы покойного Елизаветы Фёдоровны организовал её встречу с Каляевым. Великая княгиня в тюрьме подарила ему Евангелие и подала прошение императору Николаю II о помиловании террориста, но оно не было удовлетворено. Сам Каляев так оценивал это посещение: «Правительство решило не только убить меня, но и скомпрометировать показать, что революционер, отнявший жизнь у другого человека, сам боится смерти и готов [любой ценой] купить себе дарование жизни и смягчение наказания. Именно с этой целью Департамент полиции подослал ко мне вдову убитого» (Беренштам В. В. В боях политических защит. Москва-Ленинград, издательство «Книга», 1925).
Савинков излагал это так: «Мы смотрели друг на друга, писал об этом свидании Каляев, не скрою, с некоторым мистическим чувством, как двое смертных, которые остались в живых. Я случайно, она по воле организации, по моей воле, так как организация и я обдуманно стремились избежать излишнего кровопролития.
И я, глядя на великую княгиню, не мог не видеть на её лице благодарности, если не мне, то, во всяком случае, судьбе, за то, что она не погибла.
Я прошу вас, возьмите от меня на память иконку. Я буду молиться за вас.
И я взял иконку. Это было для меня символом признания с её стороны моей победы, символом ее благодарности судьбе за сохранение ее жизни и покаяния ее совести за преступления великого князя.
Моя совесть чиста, повторил я, мне очень больно, что я причинил вам горе, но я действовал сознательно, и если бы у меня была тысяча жизней, я отдал бы всю тысячу, не только одну.
Великая княгиня встала, чтобы уйти. Я также встал.