Новорождённого окрестили в Духов день. В церковь его внесла на подушке статс-дама княгиня Е. Салтыкова. Восприемник — цесаревич Николай Александрович — с большим достоинством и умением исполнил обязанности крёстного отца. Восприемницей стала Великая княгиня Екатерина Михайловна, племянница Николая I. По традиции были назначены и многочисленные почётные крёстные, не присутствующие на обряде. Всё прошло с подобающей торжественностью, немного нарушенной лишь громким криком младенца при погружении его в купель и миропомазании. Пронзительный голос малыша усилили и отразили своды и стены храма, с которых святые лики испытующе взирали на того, кто в эти минуты вместе с маленьким нательным крестиком принимал на себя тяжелейший крест судьбы.
Новый член Императорской Фамилии получил имя Сергей. Таким было желание родителей, посвятивших сына преподобному Сергию Радонежскому. Мальчик был их порфирородным первенцем (то есть первым ребёнком, родившимся после восшествия отца на престол), а потому воспринимался как некий знак, как благословение свыше и по тайному обету царской четы ещё до появления на свет был вверен молитвам святого игумена Русской земли.
Когда Сергею исполнилось три года, заботы о нём были поручены Анне Фёдоровне Тютчевой. Она уже проявила недюжинные педагогические способности при воспитании единственной дочери в Царской семье. Полученный при этом опыт помог ей со всей ответственностью и серьёзностью взяться за новое поручение, а вскоре её попечению доверят и родившегося в сентябре 1860 года Великого князя Павла — последнего ребёнка Александра II. Рачительная и экономная, Тютчева оградила младших детей императора от излишеств, с большим тактом готовя их к будущему долгу и ответственности. В первые шесть месяцев расходы на Сергея она сократила вдвое, а оплату связанного с ним транспорта — почти в десять раз! И в дальнейшем мальчик должен был приучиться к скромности, терпимости, аккуратности. От воспитательницы он узнавал, как проявляются в жизни христианские добродетели, навсегда запомнив, что ни один человек не свободен от житейских трудностей. Однако главное значение воспитательной работы Тютчевой заключалось в привитии подопечным некоторых собственных убеждений. Дочь известного поэта, Анна Фёдоровна выросла в атмосфере его глубоко национальных и славянофильских идей. Многое она почерпнёт и в московских кружках славянофилов, став активной проповедницей идеи особой исторической миссии России. Религия и мистицизм также являлись краеугольными камнями в её взглядах на жизнь, политику, на сущность русского Монарха.
29 апреля 1864 года семилетнему Сергею был назначен наставник — флотский офицер, капитан-лейтенант Дмитрий Сергеевич Арсеньев. Представитель старинного дворянского рода, давшего Отечеству видных военных, учёных, администраторов и литераторов, а также связанного семейными узами с известными фамилиями (Меншиковых, Лермонтовых, Столыпиных), Дмитрий Сергеевич и сам был личностью незаурядной. Смелый, честный, высококультурный, он стремился привить воспитаннику большую любовь к родине, развивал в нём с юных лет понятие чести и, готовя его к исполнению долга, особое внимание обращал на вопросы нравственности. Вначале появление нового воспитателя испугало Сергея — мальчик решил, что теперь у него отнимут игрушки и лишат его привычных радостей. Особенно не хотелось расставаться с любимыми «мопсами» — фарфоровыми собачками, из которых составилось целое «общество». Но вскоре он успокоился, незнакомый офицер оказался совсем не страшным. Даже наоборот — читал вслух книжки, рассказывал интересные истории, объяснял непонятные вещи и вовсе не запрещал игры. Постепенно Сергей проникся к своему наставнику доверием и со временем искренне привязался к нему.
Они беседовали на самые разные темы, разбирая прочитанное или увиденное, однако главным в таких разговорах оставался вопрос об ответственности, лежащей на каждом человеке, и в особенности на сыне русского Государя. Дмитрий Сергеевич объяснял, почему народ становится на колени при проездах Царской Фамилии, кого видят и почитают люди в лице Августейшей семьи и каковы должны быть поступки тех, кто имеет честь к ней принадлежать. Одновременно наставник придумывал педагогические приёмы, с помощью которых стремился искоренить некоторые недостатки в характере воспитанника, в частности его упрямство. Так, однажды в комнате царевича появился кукольный театр, и в главном персонаже представлений, маленьком Ванечке, Сергей без труда узнавал самого себя. Заливаясь слезами стыда за своё недавнее поведение, юный зритель обещал незамедлительно исправиться.