В шестнадцать лет наставником Николая Александровича стал попечитель Московского учебного округа С. Г. Строганов, составивший план обучения, закреплявший принципы, разработанные еще В. А. Жуковским — воспитателем Александра II. Наследника учили языкам, словесности, истории, политической экономии, праву, военным наукам, музыке, танцам, физкультуре и верховой езде. Были приглашены лучшие университетские профессора: филологи Ф. И. Буслаев и И. Е. Андреевский, историки С. М. Соловьев и М. М. Стасюлевич, статистик И. К. Бабст, экономисты А. И. Чивилев и Н. X. Бунге, правоведы К. П. Победоносцев и Б. Н. Чичерин; а также философ — профессор Московской духовной академии В. Д. Кудрявцев. Военные дисциплины преподавали генералы Э. И. Тотлебен и А. С. Платов, полковник М. И. Драгомиров и др. Законоучителем наследника был протопресвитер придворного собора Зимнего дворца, главный священник гвардии и гренадер, доктор богословия В. Б. Бажанов. Обычно преподаватели приезжали для занятий с наследником во дворец, но бывали и исключения (курс математики, например, Николай слушал в Пажеском корпусе). Современники практически единодушно отмечали замечательные дарования, ум и такт наследника престола.
В 1861 году Николай Александрович совершил первое образовательное путешествие по России, посетив Москву, Нижний Новгород и Казань. Летом 1863 года отправился во второе путешествие по стране: от столицы империи до Астрахани и от Царицына до Крыма, а затем — от Бердянска до Екатеринослава, возвращался в Москву через Харьков, Курск, Орел и Тулу. В Санкт-Петербург он прибыл в середине октября 1863 года.
Восемь месяцев спустя — 12 июня 1864 года Николай Александрович отправился в новое путешествие, на этот раз за границу, с целью ознакомления с государственным устройством и культурой европейских стран. Тогда и проявились первые признаки серьезной болезни, в конечном итоге сведшей его в могилу. Однако в печальный конец окружающие великого князя не верили, надеясь, что недуг пройдет. В том году наследник посетил германские земли и Голландию, где ему были предписаны морские оздоровительные купания, а в Дании сделал предложение дочери датского короля Дагмаре, о любви к которой писал матери еще в августе 1863 года. На свое предложение Николай получил согласие. Помолвка состоялась 20 сентября 1864 года, но стать мужем ему не пришлось — болезнь прогрессировала. Посетив ряд южных немецких городов, а затем Венецию, Милан, Турин и Геную, Николай Александрович прибыл в Ниццу, где и остался зимовать. Вовремя правильно не диагностированная болезнь к весне 1865-го оказалась неизлечимой — выяснилось, что цесаревич страдал не золотухой, а менингитом спинного мозга
Как пишет американский ученый Ричард Уортман в книге «Сценарии власти: Мифы и церемонии русской монархии», «смерть Николая Александровича лишила императора сына, в котором соединялись очарование и манеры двора, ум, необходимый для того, чтобы получить поддержку образованного общества, и любовь к России, которая приближала его к народу. Эта смерть лишила императрицу первенца, которого она обожала. Смерть цесаревича лишила его воспитателей и друзей наследника, в котором могли воплотиться их мечты об образованном монархе, сумевшем вырваться за рамки интеллектуальной ограниченности двора. Среди живых найти утешение было невозможно. Никто из близких Николая Александровича не был высокого мнения о его младшем брате Александре». Был ли это «роковой час в судьбах России»? Сказать трудно. Но современники понимали, что покинувший их цесаревич — полная противоположность своему брату. Если возможно говорить об альтернативах развития страны, то со смертью Николая Александровича такая альтернатива оказалась утраченной[7].