По завершении высшего образования Александр III принял решение отправить сына в длительное зарубежное путешествие. Император хотел, чтобы тот познакомился с различными странами и их государственным устройством. 22-летний цесаревич отправился в путь 23 октября 1890 года. Для этого практически мирового турне император выделил сыну крейсер «Память Азова», который для безопасности наследника сопровождала целая эскадра военных кораблей. Программа поездки включала в себя знакомство с достопримечательностями стран, в которых побывал наследник, а также официальные встречи.
В октябре 1890 года Николай Александрович поездом прибыл из Петербурга в итальянский порт Триест, где поднялся на борт крейсера. Из Италии он направился в Грецию, где встретился с королевой эллинов Ольгой Константиновной и ее мужем королем Греции. Их сын принц Георг присоединился к Николаю Александровичу, став его товарищем в предстоящем путешествии.
Из Греции цесаревич направился в Египет, где со свитой путешествовал по Нилу, знакомясь с египетскими древностями. Затем он отправился в Индию, по которой достаточно долго путешествовал, посещая самые известные достопримечательности страны. Затем Николай Александрович посетил Цейлон, Сингапур, остров Яву. Он гостил у короля Сиама, где был награжден орденом и получил дорогие подарки. В марте 1891 года цесаревич прибыл в Китай, где оставался больше месяца, знакомясь со страной, путешествовал по рекам, посещал чайные плантации, покупал предметы искусства.
В середине апреля 1891 года российские корабли прибыли в Японию. Цесаревич активно заинтересовался бытом и искусством этой страны, посещал старинные японские города, интересовался культурой, прибрел множество предметов искусства. Принимающая сторона буквально осыпала высокого гостя подарками, которые пришлось увозить сразу на трех российских судах. Наследника российского престола принимали на самом высоком уровне, его сопровождал в поездке по стране лично японский принц Арисугава Такэхито. В Японии Николаю Александровичу по его желанию сделали цветную татуировку на руке в виде дракона, процедура длилась семь часов. Его очень заинтересовало такое исключительно японское явление, как гейши. У цесаревича даже появилась подруга-гейша, сохранились фотографии, на которых они запечатлены вместе.
В Японии в городе Оцу 29 апреля 1891 года фанатик Санзо Цуда совершил покушение на жизнь русского наследника престола, два раза ударив цесаревича саблей по голове. Быстрая реакция греческого принца Георга, который не позволил самураю нанести еще удары и попытался сбить убийцу с ног тростью, возможно, спасла Николаю Александровичу жизнь. Также задержать нападавшего помогли два рикши, которых цесаревич впоследствии щедро наградил. Раны, два удара пришлись по касательной, оказались не опасны для жизни, цесаревич успел среагировать и увернуться. Особенно тяжелым было ранение в области темени, докторам пришлось удалить кусок рассеченной кости, достаточно большая рана оказалась на затылке, немного было задето левое ухо и порезана правая рука. Цесаревич вел себя мужественно, спокойно, его на месте перевязали. Он в это время невозмутимо беседовал с сопровождавшим его японским принцем Арисугава Такэхито. Шрамы от ран остались у Николая Александровича на всю жизнь. Ранение не прошло для будущего царя бесследно, всю жизнь его время от времени мучили головные боли.
После покушения император Александр III приказал цесаревичу немедленно возвращаться в Россию. 7 мая 1891 года Николай Александрович, покинув Японию, отправился во Владивосток, где дальше продолжил путешествие по родной стране. Во Владивостоке цесаревич присутствовал при закладке Сибирской железной дороги, которая должна была связать Дальний Восток и Сибирь с Европейской частью России.
Далее Николай Александрович пересек всю Россию, по не всегда благоустроенным дорогам и по рекам. Познакомился с культурой и историей многих народов, населяющих страну, которой он в будущем должен был править. Останавливался в стойбищах, юртах, примерял национальную одежду и пробовал национальную кухню. Кочевники преподнесли ему красивую юрту, полностью оборудованную всем необходимым для жизни.