Что касается военной службы цесаревича, то она также протекала довольно быстро и успешно. Так, в 1836 году он уже стал генерал-майором, с 1844 года – полный генерал, командовавший гвардейской пехотой. С 1849 года ему были подчинены на общем основании специальные военные училища: главное инженерное и Михайловское артиллерийское, а с 1854 года – и академия Генерального Штаба. Во время Крымской войны 1853—1856 годов с объявлением Петербургской губернии на военном положении Александр командовал всеми войсками Северной столицы. Цесаревич имел звание генерал-адъютанта, входил в состав Главного штаба Его Императорского Величества, был атаманом всех казачьих войск; числился в составе ряда элитных полков, в том числе Кавалергардского, лейб-гвардии Конного, Кирасирского, Преображенского, Семёновского, Измайловского. Он являлся канцлером Александровского университета в Финляндии, доктором права Оксфордского университета, почётным членом Императорской академии наук, Санкт-Петербургской медико-хирургической академии, Общества поощрения художников, Санкт-Петербургского университета.

В начале 1853 года на политическом горизонте России появились зловещие, грозные тучи. Занятие русскими войсками Дунайских княжеств вызвало общий протест собранных на конференции в Вене великих держав, что в конечном итоге побудило Турцию объявить войну России, в расчёте на военную поддержку Франции и Англии, а также Австрии и Пруссии. Император Николай пожелал лично удостовериться в расположении своих союзников, императора Франца-Иосифа и короля Фридриха-Вильгельма, и сам отправился на маневры в Ольмюц, после чего австрийский император и король прусский посетили его в Варшаве. Сопровождавший государя в этой поездке (с 10 по 18 сентября) цесаревич мог лично убедиться, что в предстоявшей войне с двумя морскими державами России не только нельзя рассчитывать на помощь держав – участниц Священного союза, но следует даже опасаться их перехода в лагерь противников.

Начало 1854 года ознаменовалось разрывом с Англией и Франциею. Все боевые силы Российской империи были поставлены на военную ногу. Гвардия выступила в поход и была заменена в Петербурге своими резервными и запасными частями, сформированными под непосредственным наблюдением цесаревича, которому, ввиду ожидаемого появления в Балтийском море англо-французского флота, поручена была, по званию главнокомандующего гвардейским и гренадерским корпусами, защита побережья от Выборга до Нарвы. В продолжение всего 1854 года цесаревич разделял труды и заботы своего царственного родителя по обороне Империи, умножению и усовершенствованию её военных сил. Вынужденное угрозами Австрии снятие осады Силистрии, отступление русских войск за Дунай, очищение Молдавии и Валахии, вторжение турок в Закавказье, появление англо-французского флота в Балтийском море, высадка союзников в Крыму, проигранные князем Меншиковым сражения при Альме и Инкермане, затопление Черноморского флота у входа в Севастопольскую гавань, наконец, изнурительная осада Севастополя, – всё это были тяжкие испытания, подорвавшие здоровье Николая I. Не менее тревожило государя, возбуждая в нём искреннее негодование, поведение союзных с ним Дворов венского и берлинского, из которых первый явно принял сторону врагов России, а второй колебался и, видимо, готов был последовать примеру Австрии. «Буде воля Божия, – писал император Николай в конце ноября главнокомандующему южной армией князю Горчакову, – буду нести крест мой до истощения сил». Однако сил не хватило. Простудившись в начале февраля, царь 11-го числа слёг в постель. Болезнь быстро развивалась; силы покидали; он уже не мог более заниматься государственными делами, и бремя их вынужден был возложить на наследника.