Третий сын императора Николая получил весьма своеобразное воспитание. Его биографы отмечают, что в раннем детстве Николай был неразлучен с матерью и младшим братом Михаилом. Когда же мальчику исполнилось 7 лет, отец написал ему: «Вот и семь лет тому протекло, и вместе с этим, по принятому у нас в семье обычаю, получил ты саблю!!! Великий для тебя и для нас день. Для нас, ибо сим знаком посвящаем третьего сына на службу будущую брату твоему и родине; для тебя же – тем, что получаешь первый знак твоей будущей службы. В сабле и мундире офицера ты должен чувствовать, что с сей минуты вся будущая твоя жизнь – не твоя, а тому принадлежит, чьим именем получил ты сии знаки. С сей минуты ты постоянно должен не терять из мыслей, что ты беспрестанно стремиться должен постоянным послушанием и прилежанием быть достойным носить сии знаки, не по летам тебе данные, но в возбуждение в тебе благородных чувств и с тем, чтобы некогда достойным быть своего звания». Несомненно, это – одно из самых оригинальных поздравлений, которые получал когда-либо в свой день рождения семилетний мальчик.

Для образования и воспитания младших великих князей наняли целый штат гувернеров и учителей, которыми руководил генерал-майор Алексей Илларионович Философов. Разумеется, великий князь прошел полный курс военных наук и летом выезжал в лагеря вместе с кадетами 1-го кадетского корпуса и обучался строю и военным упражнениям. Позже один из выпускников кадетского училища, служивший вместе с великим князем, будет вспоминать: «В особенности своей живостью, любезностью и беспритязательностью отличался всеми любимый Николай Николаевич, сохранивший до конце своей жизни благородство характера, природную доброту и беспритязательную любезность, как с равными, так и с подчиненными».

У маленького мальчика было множество военных званий (о чем и напоминал ему отец в своем письме). Еще при рождении он назван шефом лейб-гвардии Уланского полка и зачислен в списки лейб-гвардии Саперного батальона, а после крещения – еще и в списки лейб-гвардии Семеновского полка.

По-видимому, Николая вполне устраивала стезя, по которой он должен был идти, особенно он увлекся артиллерией и саперным делом. Придворные, видевшие его в детские годы, вспоминают о нем как о веселом шаловливом мальчике. Например, Амалия Ивановна Яковлева, бывшая камер-медхен, а затем камер-юнгферой у супруги цесаревича Александра Марии Александровны, рассказывает: «В то время, когда императрица была за границей, а великие князья Николай и Михаил Николаевичи оставались в Царском Селе, они почти ежедневно во время своей утренней прогулки заходили к великой княгине. Они шутили, шалили, болтали, смешили великую княгиню и нас. Однажды они стали представлять, как будут выбирать себе невест (им было тогда 10–11 лет). Зеленые ширмы у кровати изображали целый ряд иностранных принцесс, а они, проходя мимо, обозревали их и, указывая на каждую рукой, приговаривали: „Laide, laide, passable, passable, laide!“ («Безобразная, безобразная, посредственная, посредственная, безобразная». – Е. П.). Великая княгиня смеялась и дразнила их, что таким образом они рискуют остаться холостяками».

В 1850 г. великие князья Николай и Михаил Николаевичи совершили первое образовательное путешествие по России под руководством генерала А. И. Философова по маршруту: Петергоф, Царское Село, Ям-Ижоры, Шлиссельбург, Ладога, Тихвин, Рыбинск, Углич, Ярославль, Кострома, Юрьевец-Подольский, Нижний Новгород, Вязники, Владимир, Москва и Петербург. Останавливаясь в городах, великие князья должны были осматривать училища, госпитали, губернские присутственные места, тюрьмы и заведения приказа общественного призрения. Отправляя сыновей в поездку, отец запретил им посещать разводы и учения войск, что, вероятно, вызывало немалую досаду сыновей. Позже они совершили еще одно путешествие на юг России и за границу – через Москву, Тулу, Орел, Курск, Харьков, Чугуев, Полтаву, Киев, Белую Церковь, Варшаву, Потсдам и Берлин, откуда вернулись в Москву. Было и третье путешествие – по Новороссии, через Николаев, Одессу и Севастополь. Также великие князья посетили Европу: Дрезден, Прагу, Вену, Зальцбург, Мюнхен, Аугсбург, Ульм, Штутгарт, Южный Тироль, Верону, Венецию, Болонью, Рим, Неаполь, Ливорно, Флоренцию, Модену, Реджио, герцогство Пармское и Милан, оттуда отправились в Нидерланды, где навестили вдовствующую королеву Анну Павловну, а затем через Кельн, Ганновер и Веймар возвратились в Петербург.

Военную службу Николай Николаевич начал в 1851 г., в лейб-гвардии Конном полку, 26 ноября 1852 г. великий князь произведен в генерал-майоры с назначением генерал-инспектором по инженерной части и командиром 1-й бригады 1-й легкой гвардейской кавалерийской дивизии. Ему также поручено командование лейб-гвардии Конно-пионерным дивизионом по строевой части. В том же году, 1 декабря, великий князь введен председателем Государственного совета в заседание Общего Собрания.

Осенью 1854 г. Николай и Михаил отправились по приказанию отца в осажденный Севастополь. Николай Николаевич руководил всеми инженерными работами на северной стороне Севастополя, на участке от Константиновской батареи до Мекензиевых гор. Верный хронист императорской семьи Анна Тютчева записывает в своем дневнике: «Великие князья очень выиграли от нескольких дней пребывания в Севастополе. В них чувствуется что-то более зрелое, более серьезное. Великий князь Михаил очень интересно рассказывает о том, что он видел, он с большой горячностью и сердечностью относится к нашему солдату и очень скромен по отношению к себе; его брат Николай менее умен; в нем есть некоторое мальчишество, он немного вульгарен, но оба они добрые мальчики, полные сердечности и патриотизмам».