Семейная счастливая жизнь окончательно укрепила в цесаревиче мысль отказаться от российского престола. И 14 января 1822 года Константин Павлович совершил важный шаг. В письме Александру I он писал: «Не чувствуя в себе ни тех дарований, ни тех сил, ни того духа, чтобы быть когда бы то ни было возведенному на то достоинство, к которому по рождению моему могу иметь право, осмеливаюсь просить Ваше Императорское Величество передать сие право тому, кому оно принадлежит после меня, и тем самым утвердить навсегда неизменное положение нашего государства. Сим могу я прибавить еще новый залог и новую силу тому обязательству, которое я дал непринужденно и торжественно, при случае развода моего с первою моею женою». В связи с этим император подписал 16 августа 1823 года Манифест, в котором, с одной стороны, подтверждалось отречение великого князя Константина Павловича от права на престол и, во-вторых, говорилось, что «наследником нашим быть второму брату нашему, великому князю Николаю Павловичу». Разумеется, все хранилось в глубокой тайне.
Семейный покой женатого цесаревича в Варшаве прервался неожиданной кончиной 19 ноября 1825 года императора Александра I Павловича. Поскольку у покойного монарха не было детей, то по «Учреждению об императорской фамилии» прямым и законным его преемником становился цесаревич Константин Павлович, второй сын императора Павла I.
Великий князь Николай Павлович, получив из Таганрога известие о смерти государя, ночью 25 ноября созвал в Петербурге Государственный Совет на чрезвычайное заседание. На нем была зачитана духовная Александра I, в которой говорилось, что вследствие отречения великого князя Константина Павловича от престола, его должен занять великий князь Николай Павлович. Однако последний заявил, что поскольку духовная в свое время не была объявлена манифестом народу, то он первым принесет присягу императору Константину Павловичу, что немедленно и исполнил. На следующий день появился указ о повсеместной присяге вновь вступившему государю. Все указы стали писать от имени нового всероссийского самодержца, а имя его возносить в церквах при богослужении.
Когда и цесаревич в Варшаве получил сообщение о кончине императора, то он в письме от 26 ноября вновь подтвердил, что уступил все права на престол своему младшему брату великому князю Николаю Павловичу, и просил принять от него верноподданническую присягу. Наконец 12 декабря 1825 года появился Манифест о восшествии на российский престол императора Николая I Павловича.
Трагический финал биографии великого князя Константина Павловича обозначился во время польского восстания 1830 года, когда он был вынужден покинуть царство. Повстанцы обнаружили в Бельведерском замке великого князя шкатулку, в которой тот хранил белые свадебные перчатки Иоанны, восковую свечу, оставшеюся от венчания, а также засохший букетик и платочек с монограммой супруги.
Следующий, 1831 год стал последним в жизни великого князя Константина Павловича. В описываемое время свирепствовала холера, которая выбирала жертвы независимо от общественного положения. В мае великий князь с супругой остановились в доме генерал-губернатора Витебска князя Хованского. Здесь заболела Иоанна, но Константину Павловичу с помощью опытного врача удалось спасти ее жизнь. 7 июня 1831 года Константин Павлович писал своему другу В. Ф. Опочинину: «Я живу здесь уже четвертые сутки и отдыхаю от скуки и усталости физической и моральной и никакого занятия другого не имею, как скуку, скуку и скуку. Впрочем, здоров, но жена по приезде сюда крайне слаба и уже третьи сутки как из кровати не встает, авось Господь Бог поможет, надежда на него одного. Здесь покамест все тихо и хорошо. На всей дороге нас окружали уважением и желанием угодить и делать приятное во всех сословиях. Сим признаюсь я был весьма тронут и благодарен, в особенности в моем теперешнем скитающимся положении…» Это письмо оказалось последним.
В середине июня Константин Павлович сам заболел холерой и 15 июня скончался. Свидетель смерти великого князя генерал Колзаков в своих воспоминаниях пишет: «Когда цесаревича не стало, то княгиня в каком-то немом оцепенении опустилась на колени у его постели; через четверть часа я упросил ее отойти в свои комнаты и отдохнуть. Я приказал обкуривать всю комнату и занялся опечатыванием всех бумаг и денег покойного. В 9 часов пошел я к княгине и нашел ее в спокойной грусти. Она, как истинная христианка, с твердостью переносила свою потерю».
Княгиня лично сообщила о смерти супруга в письме императору Николаю Павловичу. Императрица Александра Федоровна написала ей письмо с выражением самого теплого участия в ее печальной судьбе. Такое же сочувствующее письмо княгиня получила и от императора, который приглашал ее жить в Царском Селе на правах вдовствующей великой княгини.
