Aleksander III w niewielkim stopniu zajmował się wychowaniem dzieci, o wiele więcej czasu poświęcała im cesarzowa Maria.
Mikołaj dorastał w poczuciu głębokiego respektu wobec ojca, podczas gdy matka bywała wobec niego nadopiekuńcza. Mimo tego Mikołaj miał do matki bezgraniczne zaufanie, co utrzymało się u niego przez całe życie. Dominująca pozycja ojca w rodzinie mogła skutkować wyrobieniem u Mikołaja postawy ukrywania swoich uczuć i niezdolności do samodzielnego podejmowania decyzji, zwłaszcza że to jemu, jako najstarszemu, Aleksander stawiał największe wymagania.
Dzieci Aleksandra III były wychowywane w prawie całkowitej izolacji od świata zewnętrznego. Zwłaszcza Mikołaj (nazwany Niki), chorowity w pierwszych latach życia, pozostawał pod szczególną opieką matki i osobistej niani. Do 13. roku życia mieszkał z rodziną w Pałacu Aniczkowskim w Petersburgu, następnie – w pałacu w Gatczynie. Z rodzeństwa najbliższy był mu o trzy lata młodszy Jerzy Aleksandrowicz Romanow. Jako dziecko Mikołaj wykazywał zdolności plastyczne, uczył się również języka angielskiego, francuskiego i niemieckiego.