Алексей рос хилым ребенком в тени своей матери, нежной, набожной и суеверной Евдокии. Запуганная мужем, она растила сына в атмосфере молитв и слез. Около нее он научился слепо почитать Церковь и опасаться реформ, которые переворачивали старый порядок вещей, установленный Богом. Его воспитателем был педантичный и невежественный князь Никифор Вяземский. В 1699 году, после стрелецкой казни, царевич был в одночасье лишен материнской защиты. По причинам, которые ему были непонятны, отец заточил его мать в Суздальский монастырь. В девять лет, порученный заботам своей тетки Натальи, он испытал странное чувство сиротства, несмотря на то что его оба родителя были живы. Желая привить будущему наследнику престола стремление к прогрессу и любовь к Европе, Петр мечтал о дне, когда отправит его за границу: или в Дрезден, или в Париж, или в Вену, где, как он был уверен, Алексей будет представлен ко двору «как сын». Затем он передумал и, оставив Алексея в Санкт-Петербурге, дал ему в гувернеры немецкого барона Гюйсена. Будучи энергичным и культурным человеком, Гюйсен приступил к своим обязанностям серьезно и составил программу, предполагающую, кроме чтения по утрам и вечерам двух глав из Евангелия, ускоренное изучение французского и немецкого языков, математики, верховой езды, а также военных наук: построение оборонительных укреплений и военных маневров… За этим всеведущим воспитателем следил незаменимый Меншиков, которому был поручен надзор за воспитанием и образованием царевича. К сожалению, вскоре Гюйсен был отправлен царем с важной дипломатической миссией за границу, и за спиной ребенка снова появился князь Вяземский. Воспитание царевича стало хаотичным. Он был снова отправлен в Москву. Меншиков навещал его все реже и реже и, добиваясь его успехов в учении, ограничивался тем, что таскал царевича за уши и за волосы. Монахи и священники окружали юношу. О своем духовнике, протопопе Якове Игнатьеве, Алексей говорил, что всегда видел в нем своего ангела-хранителя и советовался с ним во всех делах. Но еще большее влияние, чем этот властный духовник, оказывал на Алексея бывший вельможа Петра, Александр Кикин, человек живой, упрямый и развратный, который критиковал перед царевичем все инициативы его отца. Под влиянием своего окружения в царевиче странным образом сочетались поклонение лени, пристрастие к спиртному, почтение к прошлому и отвращение, которое внушал ему отец. Одно только появление царя заставляло стынуть кровь в жилах этого бесхарактерного мальчика. Когда отец обнимал его, он чувствовал с отвращением только дурной запах табака, тела и пота, которым была пропитана одежда государя. Он становился скрытным, лицемерным, то добрым, то злобным, грубым и трусливым. Жизнь пугала его, и он искал убежища своим тревогам в Евангелии, старые славянские буквы которого приводили его в восхищение.
Чтобы приучить своего отпрыска к армейской жизни, Петр взял его в войско простым бомбардиром в четырнадцать лет. В 1703 году Алексей присутствовал, несмотря на опасность, при взятии Ниеншанца. На следующий год после победы в Нарве царь торжественно объявил ему в присутствии многочисленных офицеров: «Если я тебя взял с собой в эту кампанию, то для того, чтобы ты видел, что я не боюсь ни работы, ни опасности. Но, так как я смертный человек, меня может не стать даже завтра, и я хочу, чтобы ты знал, что я не получу удовлетворения от жизни, если ты не последуешь моему примеру. Ты уже в твоем возрасте должен любить все, что служит интересам и чести родины… Посвяти свою жизнь работе на общее благо… Если мои советы разнесет ветер и ты не захочешь делать того, что я желаю, я не признаю тебя своим сыном; я буду молить Бога, чтобы он наказал тебя и в сей и в будущей жизни». Железный взгляд пробуравил несчастного царевича, который, прослезившись, упал на колени и воскликнул: «Государь и любимый батюшка! Я еще очень молод и делаю то, что могу. Но я уверяю вас, как покорный сын, что я буду стараться походить на вас во всем».