На седьмом году царевича начали обучать грамоте, для чего к нему был приставлен Никифор Вяземский, человек ничтожный и малообразованный. Отняв сына от матери, Петр как будто озаботился его воспитанием и некоторое время намеревался для того отправить его в Германию. Германская императрица Елеонора, супруга Леопольда, изъявляла желание воспитать русского царевича при своем дворе и впоследствии выдать за него одну из своих дочерей, но завязавшиеся о том переговоры окончились ничем. Затем Петр хотел отправить сына для воспитания в Дрезден под покровительство своего союзника герцога Саксонского и короля польского Августа II, но, отвлеченный начавшейся войною со шведами, не исполнил сего намерения. Вместо того он поручил образование сына вступившему в русскую службу немецкому барону Гизену (1703). Барон представил царю заманчивую, рассчитанную на два года образовательную программу, в которую входили религиозно-нравственные предметы, французский язык, география, арифметика, геометрия, история, политика (по французским курантам и Пуффендорфу) и т. д. до фехтования, танцев и верховой езды включительно. Высший надзор за воспитанием был поручен царскому любимцу, полуграмотному Александру Даниловичу Меншикову; по современным нашим понятиям, сей последний сделан попечителем наследника. В том же году царевич впервые участвовал в военном походе на устье Невы солдатом бомбардирской роты и присутствовал при взятии Ниеншанца. По возвращении в Москву царь торжественно передал Гизену, как прекрасному, надежному воспитателю, своего сына и будущего преемника. А в следующем году встречаем царевича с его воспитателем при осаде и взятии Нарвы. По случаю сей победы царь обратился к сыну с увещанием быть ему достойным преемником, подражать его примеру и не щадить трудов для общего блага, в противном случае грозил отречься от него, т. е. не признать своим сыном. Если верить записке Гизена, на эту неожиданную и поспешную угрозу четырнадцатилетний царевич ответил умно и с чувством: он со слезами осыпал поцелуями отцовскую руку, указывал на свою крайнюю молодость, обещал следовать его примеру и молил Бога на многие годы сохранить здоровье знаменитого родителя.
По-видимому, дело воспитания в руках Гизена пошло недурно. Но злой рок или, вернее, какой-либо недобрый гений царевича вроде его коварного попечителя Александра Меншикова поспешил это дело испортить. Уже в следующем 1705 году барон Гизен был удален от царевича; его отправили за границу с разными неважными поручениями, каковы: в Берлине присутствовать при погребении прусской королевы, в Вене поздравить императора Иосифа I с восшествием на престол и предложить польскую корону принцу Евгению Савойскому (после отречения Августа II) и т. п. Как будто никто другой не мог исполнить сих поручений! За границей Гизен пробыл около четырех лет. В этом случае Петр обнаружил явное равнодушие к воспитанию своего наследника, при котором оставался наставником ничтожный Вяземский. В то же время царь перестал брать сына с собой в походы и вообще заметно начал держать его вдали от себя, сохраняя вид грозного, недоступного судьи. А коварный попечитель, живя в Петербурге, как бы намеренно предоставлял осиротевшему царевичу свободу проживать под Москвою, в Преображенском, проводить время по своему усмотрению, привыкать к бражничанью и окружать себя по преимуществу лицами черного и белого духовенства с духовником его Яковом Игнатьевичем во главе, вообще людьми, недружелюбно смотревшими на нововведения Петра и на его пристрастие к иноземцам. В числе таких людей находились и царские сестры (от Милославской), между которыми особой приверженностью к старине, враждой к брату и недобрыми внушениями племяннику отличалась царевна Марья Алексеевна. Единоутробная царская сестра Наталья Алексеевна, очевидно следившая за поведением своего племянника, вдруг известила Петра, что Алексей пересылается с своей матерью при посредстве ее родни и даже, о ужас! когда узнал о приключившейся ей болезни, тайком ездил к ней в Суздаль на свидание! Царь находился тогда (1707) в польских владениях, в местечке Жолкве. Он немедля вызвал к себе сына и гневно обрушился на него за такой проступок.