Воспитание в семье было равно строгим как старшего сына, которого в семье звали Никса (Никс), так и его братьев — Александра, Владимира, Алексея, Сергея и Павла. Все братья были очень дружны между собой.
Обширная учебная программа великих князей включала в себя различные области науки, культуры и искусства. Вставали великие князья в 6 часов утра, в 7 — готовили уроки. Ровно в 9 часов они шли здороваться с родителями и совершали утреннюю прогулку с государем. Занятия с педагогами начинались точно в 10 часов утра, и первый урок продолжался до 11 часов. Затем с 11 до 12 часов два раза в неделю они занимались верховой ездой, а четыре раза — гимнастикой и танцами. Свободные от спорта часы посвящались занятиям иностранными языками. С 19 до 20 часов великие князья отдыхали, читали, с 20 до 21 часа посещали мать — императрицу Марию Александровну, вели с ней беседы на разные темы, в том числе и религиозные, на которых часто присутствовал и отец — император Александр II. Так заканчивался их день.
Особенно дружен был цесаревич с великим князем Александром Александровичем, для которого был не только братом, но другом и наставником. Историк В. В. Назаревский писал: «Если старший брат восполнял в младшем познание по тем предметам, каких тот еще не изучал, то, в свою очередь, влиял на брата и Александр Александрович своими меткими практическими суждениями, сдерживающими мечтательные увлечения, а в особенности своею поразительною искренностью, твердостью, прямой и кристальной, как выражался цесаревич, честностью своего характера».
После воцарения на престоле Александра II 19 февраля 1855 года Николай Александрович был провозглашен наследником и цесаревичем, назначен атаманом всех казачьих войск, канцлером Финляндского университета в Гельсингфорсе и зачислен во все полки гвардии.
Когда великому князю Николаю Александровичу было 17 лет, он упал с лошади и повредил позвоночник. Существовала и другая версия внезапной болезни, а затем и смерти цесаревича, последовавшей 12 апреля 1865 года: во время игры с двоюродными братьями он ушибся об острый угол мраморной мебели. Ни родители, ни врачи не придали тогда этому факту должного внимания. Цесаревич по-прежнему продолжал вести активный образ жизни здорового человека.
В 1861–1864 годах великий князь Николай Александрович совершил большую поездку по России от Петрозаводска до Крыма. В 1864 году князь впервые выехал за пределы России и больше никогда живым не вернулся на родную землю. В поездке цесаревича сопровождала большая свита: попечитель старый граф Г. А. Строганов, адъютант полковник О. Б. Рихтер, поручик П. А. Козлов, прапорщик князь В. А. Барятинский, профессора М. М. Стасюлевич и Б. Н. Чичерин, врач Н. А. Шестов и секретарь канцелярии Ф. А. Оом.
Первым пунктом путешествия великого князя был Киссинген, где мать цесаревича императрица Мария Александровна находилась на лечении на водах. Цесаревич был приглашен к герцогу Сакс-Веймарскому, чьей супругой являлась великая княгиня Мария Павловна. Ходили даже слухи о возможности женитьбы цесаревича на одной из дочерей герцога, однако сердце великого князя было уже занято датской принцессой Дагмар, ее образ занимал все его мысли.
В то время между Данией и Пруссией шла война, и цесаревич остановился в Схевенингене близ Гааги. Мать нидерландской королевы Софии — великая княгиня Екатерина Павловна, принцесса Вюртембергская, была двоюродной сестрой Александра II.
Летом 1864 года наследник российского престола приехал в Данию. Цель его поездки была познакомиться с датской принцессой Дагмар, которая очень понравилась его отцу Александру II во время его прошлого визита в Данию. При первом же знакомстве Дагмар или, как ее называли в Дании, Минни (маленькая) произвела неотразимое впечатление на молодого князя. Она была очаровательным созданием. 24 августа (5 сентября) 1864 года в письме к матери, императрице Марии Александровне, он рассказывал о Дагмар и о том впечатлении, которое она произвела на него: «…Если бы Ты знала, как я счастлив: я влюбился в Dagmar. Не бойся, что это так скоро, я помню твои советы и не могу решиться скоро. Но как же мне не быть счастливым, когда сердце говорит мне, что я люблю ее, люблю горячо… Как мне описать ее? Она так симпатична, проста, умна, весела и вместе застенчива. Она гораздо лучше портретов, которые мы видели до сих пор. Глаза ее говорят за нее: такие добрые, умные, бойкие глаза».