Детство Ники, как называли его домашние, прошло счастливо и безмятежно в Аничковом и Гатчинском дворцах, в Царском Селе и в Петергофе, где в разное время жила Царская семья. В младенчестве в основном воспитанием цесаревича занимались, как было принято в то время, русские кормилицы и английские няни. Главного наставника для своего подрастающего старшего внука выбрал лично Александр II. В 1877 году он назначил на эту должность генерала Григория Григорьевича Даниловича. Генерал был опытным военным педагогом, в 1860 году принимал активное участие в реформе военно-учебных заведений России, долго возглавлял одно из старейших военных заведений страны 2-й кадетский корпус. Данилович являлся главным воспитателем цесаревича Николая Александровича до 1891 года, всего 14 лет.
В 1878 году, когда цесаревичу исполнилось 10 лет, для него пригласили преподавателя английского языка Карла Иосифовича Хиса. Англичанин оказался превосходным педагогом: будущий император овладел английским в совершенстве. Позже в Англии в Оксфорде даже университетские профессора не признали в нем иностранца.
Мистер Хис, обратив внимание на то, что никто не занимается физическим развитием его ученика, взял эту обязанность на себя. Он начал закаливать цесаревича – по утрам тот стал обливаться холодной водой, учитель привил ему любовь к спорту. Когда в марте 1881 года, после гибели Александра II, Царская семья переехала жить в Гатчинский дворец, где для старших сыновей нового императора подготовили классную комнату, то рядом с ней по просьбе мистера Хиса оборудовали специальное помещение для занятий спортом, установив там турник и брусья. Учитель систематически занимался спортом с цесаревичем и его младшим братом Георгием Александровичем.
В результате, как вспоминали близкие к императорскому двору люди, цесаревич вырос физически закаленным и чрезвычайно спортивным человеком. Он не боялся сквозняков и холода, практически никогда не простужался, был выносливым и сильным. Занимался многими видами спорта – верховой ездой, плаванием, гимнастикой, фехтованием, прекрасно стрелял, отлично играл в теннис и др.
Планированием воспитания сына занимался отец – император Александр III, который считал, что его дети должны быть в первую очередь нормальными здоровыми людьми. Известны слова императора, которые отражают его взгляды на воспитание своих детей: «Они должны хорошо молиться Богу, учиться, играть, шалить в меру. Учите хорошенько, спуску не давайте, спрашивайте по всей строгости законов, не поощряйте лени в особенности. […] Повторяю, что мне фарфора не нужно. Мне нужны нормальные русские дети. Подерутся – пожалуйста. Но доносчику – первый кнут».