Но главной виной Екатерины было то, что она медлила с исполнением своего главного долга – родить Петру наследника. Через несколько лет напрасного ожидания Елизавета велела подвергнуть Екатерину медицинскому осмотру – и, как пишут историки, выяснилось, что та все еще девственница: из-за врожденного порока ее муж не мог исполнять свои супружеские обязанности. Петру немедленно была проведена операция, и после двух неудачных беременностей Екатерина 20 сентября (1 октября) 1754 года родила сына Павла. По мнению некоторых мемуаристов, отцом Павла был вовсе не Петр, а молодой дворянин Сергей Салтыков, чуть ли не специально для этой цели приставленный к великой княгине Елизаветой. Однако историки склонны считать, что, если связь с Салтыковым и имела место, сына Екатерина родила от мужа: об этом свидетельствует, например, несомненное сходство Павла с Петром.
Сразу после рождения ребенка забрали у родителей: Елизавета желала воспитать мальчика сама, а Екатерине и Петру разрешалось навещать его лишь раз в неделю. Заведя наследника, Петр окончательно отстранился от супруги: он открыто имел любовниц – особенным его расположением пользовалась на редкость некрасивая фрейлина Елизавета Воронцова, но и не возражал, когда Екатерина отвечала ему тем же. Он называл жену «запасной мадам», нередко ругал ее на людях, но, тем не менее, всегда доверял ее уму, советуясь с нею по всем важным вопросам, и в знак благодарности прозвал супругу и Madame la Ressource – «Мадам Ресурс».
Быстро забыв Салтыкова, которого отослали из Петербурга, Екатерина влюбилась в польского дипломата Станислава Понятовского, который, по воспоминаниям, был в неожиданно хороших отношениях с Петром: обе влюбленные пары – Петр с Воронцовой и Екатерина с Понятовским – нередко ужинали вместе, а затем расходились по разным спальням. Вероятно, именно от Понятовского Екатерина родила в декабре 1758 года дочь Анну: Петр, узнав об интересном положении супруги, произнес: «Бог знает, почему моя жена опять забеременела! Я совсем не уверен, от меня ли этот ребенок и должен ли я его принимать на свой счет». Анна умерла через два года; Понятовского тоже удалили от двора: через много лет Екатерина в знак признательности сделает его королем Польши, а место рядом с Екатериной занял Григорий Орлов. Он был личностью необыкновенной: силач, отчаянный смельчак, герой Семилетней войны, талантливый администратор и к тому же один из самых красивых мужчин своего времени. В отличие от многих придворных он был искренним и скромным, практически – по крайней мере на фоне братьев – лишенным честолюбия и корысти. Его любовь и преданность Екатерине не подлежала сомнению – равно как и любовь к нему Екатерины.