Первые годы после рождения Павел рос под присмотром императрицы Елизаветы Петровны, его родители к нему почти не допускались. Четырёх лет от роду его начали учить русской грамматике и счёту, но настоящим обучением занялись лишь с лета 1760 года; воспитателем к нему был назначен Н. И. Панин, один из крупнейших государственных деятелей России того времени. В учителя к наследнику престола были приглашены известные европейские учёные.
Будущего императора учили закону божьему, русскому, французскому и немецкому языкам, истории, географии, физике, но особое внимание уделяли французской литературе, заставляли читать Корнеля, Вольтера, Руссо и других, так что в целом воспитание имело «французский характер». Учился наследник престола легко.
С ранних лет Павел давал аудиенции иностранным послам, за его столом обедали крупнейшие сановники елизаветинского времени с тем, чтобы он прислушивался к их разговорам. Лишь очень редко мальчику позволяли играть со сверстниками, а наиболее дружен он был с А. Куракиным (племянником Н. И. Панина) и А. Разумовским.
1762, 05 января (по юлианскому календарю 25 декабря 1761). — Смерть Елизаветы Петровны. Вступление на престол Петра III. 10 июля (28 июня). — Государственный переворот. На другой день Пётр III отрёкся от престола.
В ночь переворота 7-летний Павел вместе с Паниным под охраной отряда солдат был переведён в Зимний дворец и рано утром следующего дня в Казанском соборе принёс присягу на верность новой императрице и вновь был объявлен наследником. События эти вызвали у него первое сильное потрясение, начались болезненные припадки. Врачи даже опасались за его жизнь.
1762, 17 июля (06 июля). — Манифест Екатерины, официально объявившей об отречении Петра III, который при таинственных обстоятельствах убит в Ропше Алексеем Орловым.
И до, и после переворота имели место взаимные интриги известных придворных группировок — Орловых и Паниных. Оба клана участвовали в свержении Петра III, но Орловы добивались власти для Екатерины, а Н. И. Панин желал воцарения своего воспитанника, предполагая, что Екатерина до его совершеннолетия будет регентом. Екатерина, естественно, предпочла мнение Орловых, тем более, что собственного сына знала мало. Тогда Н. И. Панин представил ей проект Императорского совета, который должен был заменить «силу персон» «властью мест государственных», оградить трон от переворотов, политику от колебаний, а подданных от «злоключений». Но и тут воспитатель Павла не преуспел: учитывая, что накануне 28 июня он желал сделать её всего только регентшей, а также его любовь к олигархической Швеции, императрица сочла, что его план аналогичен «затейке верховников» 1730 года, и отклонила его. Правда, предостеречь Панина от воспитания её сына в духе враждебных ей «политических мечтаний» она не смогла.
Отношения матери и сына были довольно удивительными. Он относился к ней, как к матери, а она к нему — как к политическому сопернику, имевшему больше законных прав на трон, чем она сама. Она не любила путешествовать, так как опасалась, чтобы в столице в её отсутствие не произошёл переворот. Если же всё-таки приходилось покидать Петербург, матушка оставляла распоряжения в отношении сына; в случае начала в столице волнений её доверенные лица должны были немедленно арестовать Павла и привезти его к ней. На протяжении нескольких десятилетий имя Павла не раз всплывало в разных политических процессах, по стране распространялись слухи о его воцарении, к нему как к «сыну», взывал Е. И. Пугачёв. Но императрица старалась не допускать великого князя к участию в обсуждении государственных дел, а тот, в свою очередь, по мере взросления начинал всё более критически оценивать политику матери.
Когда Павлу исполнилось 14 лет, сенатор Теплов начал обучать его «прямой государственной науке» — политике. Собственно, всё обучение сводилось к разбору дел, принесённых из Сената. А Павел увлёкся военным делом, и под руководством брата своего воспитателя, генерала П. И. Панина, получил хорошую военную подготовку. 20 сентября 1772 года Павел достиг совершеннолетия. Дипломатический корпус, да и некоторые русские сановники (прежде всего Н. И. Панин) ожидали, что цесаревич, по крайней мере, разделит с матерью «бремя власти». Но Екатерина II позволила сыну вступить лишь в обязанности генерал-адмирала русского флота и полковника кирасирского полка — в должности, пожалованные ему ещё в 1762 году. Панин оставлен был при Павле обер-гофмейстером, то есть продолжал играть роль воспитателя.
1773, 29 сентября. — Бракосочетание Павла с принцессой Гессен-Дармштадской Вильгельминой (в православии она приняла имя Натальи Алексеевны). Панин получил отставку от должности воспитателя, сохранив, однако, своё влияние на цесаревича. В следующем году Павел много работал над проектом «Рассуждение о государстве вообще, относительно числа войск, потребного для зашиты оного, и касательно обороны всех пределов». Для того, чтобы сохранить «счастливое расположение» России, Павел предлагал отказаться от наступательных войн и готовиться лишь к войнам оборонительным, для чего сосредоточить на границах империи четыре армии: против Швеции, против Пруссии и Австрии, против Турции, а четвёртую — в Сибири. Все прочие полки он предлагал расквартировать внутри страны в постоянных местах дислокации, чтобы они получали рекрутов и продовольственное содержание от местных жителей.
Главный принцип — железная дисциплина и персональная ответственность военнослужащих, чтобы, по его словам, «никто от фельдмаршала до солдата не мог извиниться (оправдаться, — Авт.) недоразумением, начиная о мундирных вещах, кончая о строе». Проект он подал Екатерине II, но та встретила сочинение сына более чем сдержанно; скорее всего, ей, занятой в это время войной в Турции, разделом Польши, подавлением восстания Пугачёва, его умствования показались излишне детскими и наивными. Может быть, вследствие этого Павел не получил места ни в Сенате, ни в Императорском совете. Фактически он был отстранён от дел и постоянно чувствовал противостояние Г. А. Потёмкина, фаворита Екатерины II.
В 1776 году Павла постигла семейная трагедия: скончалась при родах его жена Наталья Алексеевна. Матушка, чтобы «излечить» сына и показать, насколько покойная не стоит его слёз, передала ему любовную переписку Натальи с Разумовским, к тому времени уже удалённым от двора. Одновременно начались хлопоты о новом браке цесаревича с 17-летней принцессой Виртембергской Софией-Доротеей.
13 июня 1776 года цесаревич выехал в Берлин для знакомства с будущей женой. Павел был очарован Фридрихом II, своей невестой, и вообще Пруссией. Прусская государственная система в целом, и прусская армия в частности, понравилась ему порядком, основанным на централизации, регламентации и железной дисциплине.
Екатерина приняла невестку ласково, но без особой сердечности, о чём та вспоминала даже в старости (она умерла в 1828). Новая великая княгиня, наречённая при крещении Марией Фёдоровной, с редким единодушием оценивалась современниками как «ангел во плоти». Их первенец, Александр, а затем и второй сын, Константин, были взяты Екатериной на своё попечение: она рассматривала внуков как «собственность государства» и хотела воспитывать сама. Между тем, разрыв сына с матерью увеличивался. В этом разрыве трудно отделить личное от политического. Павел критиковал саму суть Екатерининской политики, в частности, считал принципиально важным сосредоточить всю законодательную инициативу в руках монарха, оставив дворянскому сословию только службу, пусть и за щедрое вознаграждение.
Конфликт в царской семье не получил, однако, выхода: Екатерина II предложила сыну с женой совершить «инкогнито» путешествие по Европе. 19 сентября 1781 года Павел и Мария, под именем графа и графини Северных отправились в путешествие, длившееся 14 месяцев. Они посетили Австрию, Италию, Францию, Нидерланды, Швейцарию и южную Германию.
Результаты путешествия для Екатерины были несколько неожиданны: в Европе Павла встречали как наследника российского престола, везде он сумел понравиться. При королевских дворах его окрестили российским Гамлетом, намекая на его судьбу наследника не отца, а матери, погубившей мужа. К такому прозванию располагали и рассуждения принца, часто имевшие философский оттенок.
