Родители будущего самодержца, цесаревич и великий князь Петр Федорович и великая княгиня Екатерина Алексеевна (впоследствии император Петр III и императрица Екатерина II), оставались бездетными более девяти лет. Петр Федорович воспринял рождение наследника равнодушно, проведя в этот день, 20 сентября 1754 года, в покоях жены всего лишь несколько минут. Появление на свет великого князя Павла Петровича пышно праздновалось при дворе: давались балы, маскарады, фейерверки, спектакли. Екатерине за рождение сына императрица Елизавета Петровна пожаловала 100 000 рублей. Торжества продолжались около года.

Юный великий князь был совершенно удален от своих родителей и воспитывался в старозаветных традициях. Четырех лет от роду Павла начали учить русской грамматике и счету, но настоящим обучением занялись лишь с лета 1760 года, когда главным его наставником был назначен граф Н. И. Панин, один из крупнейших государственных деятелей России того времени. В учителя к наследнику престола были приглашены известные европейские ученые.

Павла учили закону божьему, русскому, французскому и немецкому языкам, истории, географии, физике, но особое внимание уделяли французской литературе, заставляли читать Корнеля, Вольтера, Руссо и др, 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, по праздникам, мальчику позволяли играть со сверстниками. Наиболее дружен он был с А. Куракиным (племянником Панина) и А. Разумовским. В свержении Петра III, по общему мнению, ведущая роль принадлежала Панину, который желал воцарения своего воспитанника, в таком случае Екатерина до совершеннолетия Павла становилась регентом. В ночь переворота, 27 июня 1762 года, 7-летний Павел вместе с Паниным под охраной отряда солдат был переведен в Зимний дворец и рано утром следующего дня в Казанском соборе принес 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.

Когда Павлу исполнилось 14 лет, сенатор Теплов начал обучать Павла «прямой государственной науке» — политике. Собственно, все обучение сводилось к разбору дел, принесенных из Сената. Как следствие, Павел увлекся военным делом. Под руководством генерала П. И. Панина цесаревич 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 еще в 1762 году. Панин оставлен был при Павле обер-гофмейсте-ром, то есть продолжал играть роль воспитателя.

Между тем полным ходом шли переговоры о женитьбе Павла. Выбор Екатерины пал на принцессу Гессен-Дармштадскую Вильгельмину. 29 сентября 1773 года состоялось бракосочетание Павла (в православии она приняла имя Натальи Алексеевны). Панин, осыпанный милостями, получил отставку от должности воспитателя, сохранив, однако, свое влияние на цесаревича.

В 1774 году Павел много работает над проектом «Рассуждение о государстве вообще», который он подал Екатерине. Для того чтобы сохранить «счастливое расположение» России, Павел предлагал отказаться от наступательных войн и готовиться лишь к войнам оборонительным. Для этого сосредоточить на границах империи четыре армии против Швеции, против Пруссии и Австрии, против Турции, а четвертую — в Сибири. Все прочие полки расквартированы внутри страны в постоянных местах дислокации, получая рекрутов и продовольственное содержание от местных жителей. Со временем от рекрутских наборов предполагалось отказаться, пополняя армию солдатскими детьми. Полки получают одинаковые штаты, четкие уставы и инструкции, где оговариваются права и обязанности всех военнослужащих. Вводилась железная дисциплина и персональная ответственность. Многие историки рассматривают этот документ как политическое кредо Павла.

Екатерина II встретила сочинение сына более чем сдержанно, ведь оно содержало скрытую критику ее правления. Может быть, вследствие этого Павел не получил места ни в Сенате, ни в Императорском совете. Фактически онбыл отстранен от дел и постоянно чувствовал противостояние Г.А. Потемкина, фаворита Екатерины II.

В 1776 году Павла постигла семейная трагедия: 15 апреля скончалась при родах Наталья Алексеевна. Екатерина II, чтобы «излечить» сына и показать, насколько покойная не стоит его слез, передала ему любовную переписку жены с Разумовским, к тому времени уже удаленным от двора. Одновременно начались хлопоты о браке цесаревича с 17-летней принцессой Виртембергской Софией-Доротеей. Душевная драма оставила глубокий отпечаток: от прежней веселости не осталось и следа, характер Павла сделался мрачным и замкнутым.

13 июня 1776 года цесаревич выехал в Берлин для знакомства с будущей женой.

Павел был очарован Фридрихом II, своей невестой, Пруссией. Прусская государственная система в целом, и прусская армия в частности, понравилась ему порядком, основанным на централизации, регламентации и железной дисциплине. Екатерина приняла невесту сына ласково, но без особой сердечности, о чем та вспоминала даже в старости. 26 сентября 1776 года была отпразднована свадьба. Новая великая княгиня, нареченная при крещении Марией Федоровной, с редким единодушием оценивалась современниками как «ангел во плоти».

Прусские симпатии цесаревича, укрепившиеся за время его жизни в Берлине, встретили понимание и сочувствие как со стороны жены, так и со стороны Панина. Именно с позиций своих пруссофильских настроений Павел не стеснялся резко критиковать политику матери.

Наметившийся разрыв с матерью усугубился тем, что его первенец, Александр, а затем и второй сын, Константин, были взяты Екатериной на свое попечение. Она рассматривала их как «собственность государства» и хотела воспитывать сама. В этом разрыве трудно отделить личное от политического Павел критиковал самую суть Екатерининской политики, в частности, считал принципиально важным сосредоточить всю законодательную инициативу в руках монарха, так что дворянское сословие лишь служило бы, получая за это 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 с женой 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. Обласканный в Европе, Павел все откровеннее претендовал на участие в управлении страной. Екатерина же ограничилась разрешением ему присутствовать дважды в неделю на докладах, да по воскресеньям обедать у нее. Н.И. Панин, подвергнутый опале, 31 марта 1783 года умер, но Павел, рискуя вызвать недовольство матери, присутствовал при его кончине и закрыл своему наставнику глаза.

После этого цесаревич не проявлял неудовлетворенности своим положением.

Такое поведение привело к ответному шагу Екатерины ІІ. 12 мая 1783 года она (впервые!) обсуждала с Павлом важные внешнеполитические проблемы — польские дела и вопрос об аннексии Крыма. Произошел, видимо, откровенный обмен мнениями, закончившийся окончательным разрывом, ибо выявилось совершенное несходство взглядов. Именно к этому времени относятся первые слухи о возможной передаче престола не Павлу, а его старшему сыну Александру, которого, по общему мнению, Екатерина боготворила.