Николай Павлович стал третьим сыном и девятым по счету ребенком в семье наследника российского престола, цесаревича Павла Петровича, и его супруги Марии Фёдоровны. Он родился в Царском Селе рано утром 6 июля (25 июня) 1796 года. Рождение великого князя было радостным и долгожданным событием — по этому случаю в церкви отслужили молебен, произвели пушечный салют и устроили торжественный обед.
В браке Павла I и Марии Фёдоровны родилось 10 детей. Старшие братья Николая, Александр и Константин, к моменту рождения брата уже были взрослыми и состояли в браке. Александр был старше Николая на 19 лет, а Константин был на 17. За ними следовали сестры: Александра, Елена, Мария, Екатерина, Ольга и Анна. Ближе всех по возрасту Николаю был младший брат Михаил, разница с которым составляла около полутора лет; именно с ним Николай провел детство и воспитание. Из всех детей императорской четы лишь Ольга скончалась в трехлетнем возрасте. Остальные унаследовали от матери здоровье, высокий рост и, в большинстве своем, правильные черты лица.
Судьба Николая Павловича сложилась иначе, чем у старших внуков Екатерины II, которая взяла их воспитание в свои руки. Он был еще младенцем, когда скончалась его бабушка, она успела лишь благословить внука. Воспитанием и обучением мальчика занималась его мать, императрица Мария Фёдоровна. Она требовала строжайшего соблюдения этикета от всех без исключения: от нянь, гувернанток, прислуги и от самих детей. Ее строгость и требовательность привели к тому, что отношения с детьми стали церемонными, вежливыми, но лишенными тепла. Их отец, Павел I, напротив, несмотря на свой вспыльчивый, капризный и непредсказуемый нрав, в обращении с младшими детьми был мягок и ласков. Он любил играть с ними, часто приглашал их в свои покои и делал подарки. Павел нежно называл детей «мои барашки, мои овечки» и говорил, что, поскольку старших детей у него забрали с самого рождения, он хочет окружить вниманием младших.
Мария Фёдоровна стремилась обеспечить сыновьям более фундаментальное образование, поэтому в 1809 году учебная программа была существенно расширена: помимо традиционных дисциплин, в неё включили русскую и всеобщую историю, право, политэкономию, латынь и даже уникальный для наследников престола элемент — основы древнегреческого языка. Особый акцент делался на инженерных науках, которые пришлись по душе будущему императору Николаю: он с увлечением изучал тригонометрию, гидродинамику, механику и фортификацию.
Несмотря на привлечение к преподаванию лучших учёных и академиков, их лекции оказывались для юных князей «усыпительными» — часто Николай и Михаил чуть ли не засыпали на уроках, а пропущенный материал им пришлось зазубривать. Тем не менее анализ учебных тетрадей и данные историков свидетельствуют, что уровень обучения великих князей был весьма серьёзным. Особых успехов Николай Павлович добился в инженерных дисциплинах, физике, любил историю, а латынь терпеть не мог.
Когда в 1812 году началась война с Наполеоном, юный Николай Павлович, как и многие его сверстники, рвался на фронт. Однако младших великих князей сознательно оградили от любой опасности. Пока Александр I и Константин рисковали жизнью в действующей армии, Николай и Михаил были важной страховкой династии, гарантией престолонаследия. Николай тяжело переживал свою вынужденную роль «бесполезного существа», но его патриотические чувства были сочтены маловажными. В ответ на его жалобы мать загадочно говорила, что его «берегут для другого». Только когда русские войска вступили в пределы Франции, Александр I позволил младшим братьям отправиться вслед за армией в путешествие по Европе — в начале февраля 1814 года они выехали из Петербурга в сопровождении М.И. Ламздорфа и небольшой свиты. Так, когда армия начала движение к Парижу, а великие князья были уже на французской территории, Александр I приказал им отправиться в швейцарский Базель и там ожидать дальнейших распоряжений.
«Можно вообразить наше отчаяние!» – вспоминал Николай I.
В 1814 году Николая и Михаила отправили в «образовательное путешествие» — традицию, уходящую корнями в эпоху Просвещения. Считалось, что для завершения образования юноша должен под руководством наставника объехать разные страны, осмотреть достопримечательности, учебные заведения, больницы, тюрьмы и познакомиться с выдающимися людьми.
Для Николая эта поездка имела и дополнительную, личную цель: ему предстояло найти невесту. С этой задачей он справился поразительно быстро. Менее чем за месяц, выехав в феврале из Петербурга и проехав через Польшу, великие князья достигли Берлина. Несмотря на то, что они провели там всего один день, Николаю хватило времени, чтобы сделать свой выбор. Он был очарован принцессой Шарлоттой, старшей дочерью прусского короля Фридриха Вильгельма III, которая была на два года его младше. Свадьбу, однако, отложили на полтора года, до совершеннолетия Николая, то есть до достижения им 21 года. Кортеж принцессы выехал из Берлина лишь в конце мая 1817 года. Николай встретил невесту у самой границы, в Полангене. По воспоминаниям самой императрицы, названной в крещении Александрой Фёдоровной, её жених стоял «у пограничного шлагбаума, с обнаженной шпагой, во главе войска».
Влюбленные с нетерпением ждали дня своей свадьбы, которая была назначена на 13 (1) июля 1817 года. Вот что писала будущая императрица об этом дне:
Приближалось воскресенье 13 (1) июля — день нашей свадьбы. Мой жених становился все нежнее и с нетерпением ожидал дня, когда назовет меня своей женой и поселится в Аничковском дворце. Накануне 1 июля, который был в то же время и днем моего рождения, я получила прелестные подарки, жемчуг, брильянты; меня все это занимало, так как я не носила ни одного брильянта в Берлине, где отец воспитал нас с редкой простотой.
С каким чувством проснулась я поутру 1 июля! Мои прислужницы-пруссачки убрали мою кровать цветами, а добрая Вильдермет поднесла мне букет из роскошнейших белых роз. Я не хочу здесь распространяться о своих личных впечатлениях, но в этот день невозможно обойти их молчанием. Меня одели наполовину в моей комнате, а остальная часть туалета совершилась в Брильянтовой зале, прилегавшей в то время к спальне вдовствующей Императрицы.
Мне надели на голову корону и кроме того бесчисленное множество крупных коронных украшений, под тяжестью которых я была едва жива. Посреди всех этих уборов я приколола к поясу одну белую розу. Я почувствовала себя очень, очень счастливой, когда руки наши наконец соединились; с полным доверием отдавала я свою жизнь в руки моего Николая, и он никогда не обманул этой надежды!
После церемонии и бала молодожёны в золотой карете отправились в Аничков дворец, ставший их новой резиденцией. У входа их встретили император Александр I и императрица Елизавета Алексеевна с традиционными хлебом-солью. Ужин прошёл в узком кругу. После свадебных торжеств и визитов семья разъехалась по летним резиденциям: Николай с женой — в Павловск, а императорская чета — в Царское Село.
Семейная жизнь получилась на удивление удачной, что для людей такого ранга было редчайшим явлением. Вдовствующая императрица была добра к молодой невестке, а Николай Павлович окружил жену любовью и заботой. К сожалению, беззаботности совместной жизни великокняжеской четы было не суждено продлиться долго...