Долгое время основным серьезным занятием Петра Федоровича являлись дела по управлению Голштейном, владетельным герцогом которого он стал 7 мая 1745 года. Наследник российского престола горячо любил свою германскую родину, что обещало в дальнейшем серьезно осложнить внешнюю политику России. Северная часть владений Голштейн-Готторпских герцогов — Шлезвиг — была захвачена Данией в 1713 году, и голштейнский принц с раннего детства проникся мечтами своего отца о восстановлении "попранной справедливости». Датское правительство предвидело неприятности в случае воцарения Петра Федоровича, поэтому предложило ему обменять Голштейн на датские владения в Германии Ольденбург и Дельменгорст. Переговоры по этому вопросу велись в течение нескольких лет, но однажды «его высочество внезапно изволил декларировать что сие дело пресечено быть имеет и он более о том слышать не хочет».
Вероятно, голштейнский патриотизм Петра Федоровича укрепился в 1754 году, когда Елизавета Петровна разрешила ему выписать из Голштейна большой отряд солдат и офицеров. Теперь он смог проводить в подаренном ему Ораниенбауме настоящие маневры и всецело отдался своему любимому делу. По словам Штелина, прибывшие в Россию голштейнские офицеры «возбудили в великом князе ненависть против Дании и желание отмстить датчанам за отнятие Шлезвига. При этом было страшное хвастовство». В компании офицеров Петр Федорович пристрастился к вину и курению, что вредно отражалось на его легковозбудимой натуре. Кроме того, новые товарищи укрепили в нем преклонение перед Фридрихом II и прусскими военными порядками. Между тем ожидалось вступление России в Семилетнюю войну. 14 марта 1756 года Елизавета Петровна вместе с Петром Федоровичем присутствовала на первом заседании Конференции при высочайшем дворе, после чего наследник престола стал считаться постоянным членом этого учреждения, призванного разрабатывать и осуществлять меры «к ослаблению короля прусского». Возможно, императрица рассчитывала, что ее племянник оценит оказанное ему доверие и в вопросе о предстоящей войне встанет на точку зрения правительства. Но Петр Федорович уже имел твердые убеждения в сфере внешней политики, являясь сторонником Пруссии и Англии и противником Австрии и Франции. Это проявилось со всей очевидностью в августе 1756 года, когда он отказался подписать решение Конференции о возобновлении русско-французских дипломатических отношений. Елизавета сочла его поступок следствием чьих-то внушений и «велела спросить у великого князя, кто ему отсоветовал подписаться, и сказать, что это дело ею решено. Он ответил с досадой, принимают ли его за дурака, чтоб не видеть, насколько это дело плохо сделано… что никогда не заставят его играть роль бесчестного человека и подписать то, чего он не одобрял». Через несколько дней он все же подписал документ, но заявил, что «сделал это только для того, чтобы понравиться императрице, но вовсе не потому, чтобы он одобрял самое дело». В начале следующего года Петр Федорович, по словам Штелина, стал отказываться от подписей под протоколами Конференции, в которых находил решения о начале военных действий против Пруссии и союзнических «аудиенциях» российской, австрийской и французской дипломатии. При этом он «говорил свободно, что императрицу обманывают в отношении к прусскому королю, что австрийцы нас подкупают, а французы обманывают и… что мы со временем будем каяться, что вошли в союз с Австрией и Францией». Последняя подпись наследника престола под протоколом Конференции была поставлена 5 мая 1757 года, после чего он не участвовал в работе учреждения.
С этого времени Елизавета Петровна держала племянника в стороне от государственных дел и лишь 12 февраля 1759 года по рекомендации Шуваловых согласилась назначить его главным директором Сухопутного шляхетского кадетского корпуса. К управлению этим военно-учебным заведением Петр отнесся с энтузиазмом: он присутствовал на занятиях, беседовал с учащимися, проявлял заботу об улучшении их бытовых условий, следил за обеспечением Корпуса всем необходимым, добился для него ряда привилегий, в том числе права печатать любые книги на русском, немецком и французском языках.
Объективный портрет Петра Федоровича накануне его вступления на престол обрисовал французский дипломат Ж.-Л. Фавье: «Вид у него вполне военного человека. Он постоянно затянут в мундир такого узкого и короткого покроя, который следует прусской моде еще в преувеличенном виде. Кроме того, он очень гордится тем, что легко переносит холод, жар и усталость. Враг всякой представительности и утонченности, он занимается исключительно смотрами, разводами и обучением воспитанников вверенного его попечениям Кадетского корпуса». Фавье находил в великом князе долю сходства с Петром I и Карлом XII, но подчеркивал, что «сходство это чисто внешнее. Он подражает обоим в простоте своих вкусов и в одежде… От Петра Великого он главным образом наследовал страсть к горячительным напиткам и в высшей степени безразборчивую фамильярность в обращении, за которую ему мало кто благодарен». Проницательный дипломат выделил те черты наследника престола, которые впоследствии повлияли на результаты его царствования: «Иностранец по рождению, он своим слишком явным предпочтением к немцам то и дело оскорбляет самолюбие народа, и без того в высшей степени исключительного и ревнивого к своей национальности. Мало набожный в своих приемах, он не сумел приобрести доверия духовенства… Погруженные в роскошь и бездействие придворные страшатся времени, когда ими будет управлять государь, одинаково суровый к самому себе и к другим. Казалось бы, что военные должны его любить, но на деле не так. Они видят в нем чересчур строгого начальника, который стремится их подчинить дисциплине иностранных генералов».