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.
В 1884 году Николай Александрович поступает на действительную военную службу, а 6 мая того года приносит воинскую присягу в Большой церкви Зимнего дворца. Очевидец этого события великий князь Константин Константинович (президент Российской академии наук, переводчик, поэт — литературный псевдоним «К. Р.») записал в тот день в дневнике: «Нашему цесаревичу сегодня 16 лет, он достиг совершеннолетия и принес присягу на верность Престолу и Отечеству. Торжество было в высшей степени умилительное и трогательное. Наследник, с виду еще совсем ребенок, и очень невелик ростом. Прочитал он присягу, в особенности первую, в церкви детским, но прочувствованным голосом; заметно было, что он вник в каждое слово и произносил свою клятву осмысленно, растроганно, но совершенно спокойно. Слезы слышались в его детском голосе. Государь, Императрица, многие окружающие, и я в том числе, не могли удержать слез».
Изменение общественного положения Николая Александровича не отразилось существенно на чинопроизводстве, и воинские звания присваивались почти всегда лишь по выслуге лет. В августе 1884 года цесаревич стал поручиком. В июле 1887 года девятнадцатилетний юноша приступает к регулярной военной службе в Преображенском полку и производится в штабс-капитаны. В апреле 1891 года наследник престола получает звание капитана, а через год, в мае 1891 года, — полковника. На этом производство завершилось, и в чине полковника он оставался до самого конца. Считал неприличным, в силу своего положения, присваивать себе новые воинские звания.
Наследник русского престола получал высшие награды иностранных государств, что служило выражением уважения к России, признанием ее роли мировой державы. Главами и правителями многих стран цесаревичу Николаю Александровичу жаловались ордена: Подвязки (Великобритания), Святого Льва (Нидерланды), Восходящего Солнца (Япония), Белого Сокола (Саксен-Веймарское герцогство), Золотого Руна (Испания), Черного Орла (Пруссия), Святого Стефана (Австро-Венгрия), Почетного легиона (Франция), Спасителя (Греция), Слона (Дания), Звезды (Румыния), Святого Александра (Болгария), Южного Креста (Бразилия), Чакр-Ки (Сиам — Таиланд), Леопольда (Бельгия), Османие (Турция) и другие.
С ранних лет его отличала одна черта, которая, с одной стороны, свидетельствовала о нравственном облике, а с другой — предвещала трудную жизнь: он не умел врать. Этим напоминал своего отца, всю жизнь не терпевшего вранья и с трудом выносившего лицемеров. Но монарх находился в эпицентре власти, там, где перекрещивались все нити скрытых интересов, закулисных интриг, высокого лицедейства. Николаю II с трудом приходилось овладевать искусством повседневного дипломатического маневрирования. Не все у него получалось так, как надлежало, так, как издревле принято было на Руси, и к чему давно привыкли и управители, и управляемые. Императрица Мария Федоровна однажды сказала про своего старшего сына: «Он такой чистый, что не допускает и мысли, что есть люди совершенно иного нрава». Мать не заблуждалась. Николай II был, как тогда говорили, «натуральным человеком», ценившим и принимавшим простое, ясное, искреннее, доброе.
Александр III «умел поставить на место», мог без обиняков прилюдно назвать труса трусом, бездельника бездельником, дурака дураком, в одночасье выгнать со службы и лишить регалий. Последний же царь, в силу природной деликатности, благожелательного характера, подобного никогда не делал. Если даже не любил кого-то, то никогда не высказывался уничижительно, а публично лишь демонстрировал холодность. Расставаясь с должностным лицом, старался обставить все учтиво, награждая при увольнении «своих слуг» чинами, орденами, благодарственными рескриптами, денежными пособиями. Но редко вступал в прямые объяснения, понимая, что это будет неприятно, тяжело и ему, и тому, кто потерял расположение и должность.
Николай Александрович рос в атмосфере патриархальной русской семьи, которая, в силу исторических обстоятельств, занимала исключительное место в общественной жизни. Он мог себе позволить мало из того, на что имели право сверстники. Нельзя было себя шумно вести, возбранялось привлекать к себе внимание играми и детской возней, не допускались неразрешенные прогулки, бесконтрольные забавы. Все свое детство Николай Александрович провел в императорских резиденциях: зимой жили в Петербурге в Аничковом дворце, а летом — или в Гатчине, или в Царском Селе, или в Петергофе. Кругом были придворные, слуги и наставники, и нельзя было побежать на пруд, когда хотелось, и невозможно было общаться, с кем хотелось. Его друзьями могли быть только лица определенного происхождения.
В юности царь Николай II постоянно общался с небольшим кружком сверстников-родственников и детей близких ко двору царедворцев. Это были: брат, великий князь Георгий Александрович; двоюродные дяди — великий князь Александр Михайлович и великий князь Сергей Михайлович, а также дети министра императорского двора графа И. И. Воронцова-Дашкова и дети обер-егермейстера графа С. Д. Шереметева. Зимой они вместе катались на коньках, строили ледяные горки в парке Аничкова дворца, а летом плавали на лодках, удили рыбу, играли в различные игры и обязательно пекли в укромном уголке парка картошку на костре. Это кушанье считалось лакомством, и молодые аристократы воспринимали весь этот ритуал как некое таинство, а участвовавших и посвященных называли «картофелем».