В 1879 году Николай завершил обучение по программе начальной школы, после чего специально созданная комиссия проверила его знания, и осталась весьма довольна успехами одиннадцатилетнего великого князя. Далее начался курс среднего образования, в рамках которого изучались не только основополагающие дисциплины того времени – Закон Божий, русский язык, география, история, математика, иностранные языки (английский, французский, немецкий и датский), но и множество дополнительных предметов, среди которых можно выделить химию, минералогию, ботанику, анатомию и физиологию. Ученик из Николая вышел превосходный – он обладал феноменальной памятью, был усидчив, аккуратен и любил читать, особенно всё, что касалось народной жизни.

К 15 годам у него было более 30 уроков в неделю, а обучение не прекращалось даже летом. Известно также, что учителям не разрешалась проверять его знания и ставить оценки за успеваемость, однако, в целом, их впечатление было благоприятным. Из всех предметов ему более всего нравились литература и история.

В 16 лет цесаревич успешно завершил восьмилетний расширенный курс классической гимназии, за которым последовало пятилетнее изучение военного дела, юридических и экономических наук. Занятия проводили учёные с мировым именем: Николай Николаевич Бекетов, Николай Николаевич Обручев, Цезарь Антонович Кюи, Михаил Иванович Драгомиров, Николай Христианович Бунге, Константин Петрович Победоносцев и другие.31

Как и все Романовы, Николай особенно любил заниматься военным делом; с большим интересом изучал фортификацию, топографию, тактику и стратегию. Чтобы будущий император на практике познакомился с войсковым бытом и строевой службой, отец направил его на военные сборы. Два года он служил в рядах Преображенского полка, сначала исполняя обязанности взводного, а потом ротного командира. Благодаря своей скромности и простоте, Николай был весьма популярен среди товарищей-офицеров. Свои впечатления об этом времени он изложил двоюродному брату великому князю Александру Михайловичу в письме: «Я проделал уже два лагеря в Преображенском полку, страшно сроднился и полюбил службу! Я уверен, что эта летняя служба принесла мне огромную пользу, и с тех пор заметил в себе большие перемены. Через месяц поступаю в Гусарский полк, чтобы начать и кавалерийскую службу».32 Два летних сезона Николай провёл в рядах лейб-гвардии гусарского полка эскадронным командиром, а затем лагерный сбор в рядах артиллерии. Традиции офицерской среды и воинские уставы цесаревич знал великолепно, а по отношению к простым солдатам чувствовал себя покровителем-наставником и не чурался общаться с ними. Безропотно переносил неудобства армейских будней на лагерных сборах и манёврах.33 Впоследствии он дослужился до чина полковника. В этом воинском звании Николай и остался до конца своих дней, так как по сложившейся традиции, российские императоры не присваивали воинские звания самим себе.

6 (18) мая 1889 года наследнику престола Николаю Александровичу исполнился 21 год. Родители были довольны – цесаревич получил блестящее образование, да к тому же, был глубоко религиозным человеком. С этого момента император Александр III начинает привлекать Николая к работе, связанной с государственным управлением – он стал членом Государственного совета и Комитета министров; в 1891 г. – возглавил комитет для помощи нуждающимся в местностях, пострадавших от неурожая, а в 1892 г. – назначен председателем комитета по постройке Транссибирской железной дороги.

В это же время вместе с отцом наследник посещал различные губернии России, а в 1890–91 гг. совершил восточное путешествие, во время которого побывал во многих местах Евразии: Австро-Венгрии, Греции, Египте, Индии, Китае, Японии. В Санкт-Петербург он возвращался из Владивостока через всю Сибирь и был совершенно очарован своей страной. В письме двоюродному брату великому князю Александру Михайловичу Николай сообщал: