Николай Александрович был, что называется, прирожденным офицером; традиции офицерской среды и воинские уставы он неукоснительно соблюдал, чего требовал и от других. Любой командир, запятнавший недостойным поведением мундир офицера, для него переставал существовать. По отношению к солдатам чувствовал себя покровителем-наставником и не чурался общаться с ними, а в пасхальные дни обязательно христосовался со служащими конвоя. Смотры, парады, учения Николая Александровича никогда не утомляли, и он мужественно и безропотно переносил случавшиеся неудобства армейских будней на лагерных сборах или маневрах.
В марте 1889 года писал: «Я проделал уже два лагеря в Преображенском полку, страшно сроднился и полюбил службу; в особенности наших молодцов-солдат! Я уверен, что эта летняя служба принесла мне огромную пользу, и с тех пор заметил в себе большие перемены. Через месяц поступаю в Гусарский полк, чтобы начать и кавалерийскую службу».
Природной педантичности, аккуратности и обязательности Николая с юности импонировала армейская среда. Но главное было в другом: Русская армия олицетворяла для него величие и мощь империи, незыблемость и силу России, что вызывало в душе самые восторженные чувства. В августе 1890 года он впервые оказался на больших военных маневрах, проводившихся в тот год в районе Луцка. В письме Александру Михайловичу восклицал: «Войска произвели на меня такое отрадное впечатление, о котором я вовсе не помышлял, и, по-моему, не только можно, но и должно сравнивать их действия с действиями гвардии, и по виду также. Все время стояла холодная, дождливая погода, местность для маневрирования была трудная, переходы огромные и, несмотря на все эти невзгоды, на параде все войска представились в таком виде, в котором, дай Бог, они всегда бы оставались впредь. В строю было 128 000 человек и 468 орудий, из которых был дан залп в момент поднятия императорского штандарта. Я в жизнь свою не забуду этого чудесного зрелища; каждое орудие дало по три выстрела в течение двух минут, и все это сливалось с потрясающим ура! Приятно было видеть и чувствовать эту мощь, сосредоточенную на небольшом пространстве, и сознавать, что это только десятая часть всей нашей армии. Я тебя уверяю, что у меня редко так сильно билось сердце».
Согласно традиции первый внук императора Александра II сразу после рождения был зачислен в списки гвардейских полков (Преображенского, Семеновского, Измайловского, Егерского, Кавалергардского и других) и назначен шефом 65-го пехотного Московского полка. В пятилетнем возрасте, в 1873 году, Николай Александрович назначен шефом лейб-гвардии Резервного пехотного полка, а в 1875 году зачислен в лейб-гвардии Эриванский полк. Шли годы, мальчик взрослел, и служебная «военная карьера» продолжалась. В день именин, 6 декабря 1875 года, Николай Александрович получил свое первое воинское звание — прапорщика. В 1880 году молодой великий князь производится в подпоручики.
Коренной перелом в судьбе Николая Александровича произошел 1 марта 1881 года, когда от рук убийц погиб император Александр II. Одна из фрейлин позже записала рассказ самого Николая II о событиях того давнего дня, когда в центре имперской столицы раздался страшный взрыв. Эхо того взрыва, как говорил сам Николай II, навсегда запечатлелось в памяти. Последний монарх редко делился с окружающими воспоминаниями; лишь только с самыми доверенными из родни, членов двора и свиты. В число этих близких входила и фрейлина, баронесса Софья Карловна Буксгевден, сохранившая верность царской семье до конца и после отречения Николая II последовавшая за ней в Сибирь. Позже ей удалось выбраться из России и написать воспоминания, куда включен и фрагмент о перво-мартовских событиях 1881 года в том виде, как его запомнила мемуаристка.
Баронесса благоговейно относилась к памяти венценосной семьи, бережно сохраняла и описывала самые мелкие подробности ее быта и времяпрепровождения. В силу этого рассказу баронессы безусловно можно доверять.
В середине дня 1 марта 1881 года семья наследника завтракала в Аничковом дворце, когда вбежал слуга и сообщил, что с царем несчастье. Цесаревич тотчас бросился на улицу, крикнув детям, Николаю и Георгию, чтобы они немедленно ехали в Зимний дворец. И они в сопровождении генерала Г. Г. Даниловича поехали.
Обо всем, что там представилось их взору, Николай II так рассказывал баронессе: «Когда мы поднимались по лестнице я видел, что у всех встречных были бледные лица. На коврах были большие пятна крови. Мой дед истекал кровью от страшных ран, полученных от взрыва, когда его несли по лестнице. В кабинете уже были мои родители. Около окна стояли мои дяди и тети. Никто не говорил. Мой дед лежал на узкой походной постели, на которой он всегда спал. Он был покрыт военной шинелью, служившей ему халатом. Его лицо было смертельно бледным. Оно было покрыто маленькими ранками. Его глаза были закрыты. Мой отец подвел меня к постели: «Папа, — сказал он повышая голос, — Ваш «луч солнца» здесь». Я увидел дрожание ресниц, голубые глаза моего деда открылись, он старался улыбнуться. Он двинул пальцем, он не мог поднять руки ни сказать то, что он хотел, но он несомненно узнал меня. Протопресвитер Бажанов подошел и причастил Его в последний раз. Мы все опустились на колени и Император тихо скончался. Так Господу угодно было». Императором стал Александр III. В тот день его старший сын стал цесаревичем и одновременно Атаманом всех Казачьих войск.