Лишь очень редко, по праздникам, мальчику позволяли играть со сверстниками. Наиболее дружен он был с А. Куракиным (племянником Панина) и А. Разумовским. В свержении Петра III, по общему мнению, ведущая роль принадлежала Панину, который желал воцарения своего воспитанника, в таком случае Екатерина до совершеннолетия Павла становилась регентом. В ночь переворота, 27 июня 1762 года, 7-летний Павел вместе с Паниным под охраной отряда солдат был переведен в Зимний дворец и рано утром следующего дня в Казанском соборе принес присягу на верность новой императрице и вновь был объявлен наследником. События эти вызвали у него первое сильное потрясение, начались болезненные припадки. Врачи даже опасались за его жизнь.
Когда Павлу исполнилось 14 лет, сенатор Теплов начал обучать Павла «прямой государственной науке» — политике. Собственно, все обучение сводилось к разбору дел, принесенных из Сената. Как следствие, Павел увлекся военным делом. Под руководством генерала П. И. Панина цесаревич получил хорошую военную подготовку. 20 сентября 1772 года Павел достиг совершеннолетия. Дипломатический корпус, да и некоторые русские сановники (прежде всего Н. И. Панин) ожидали, что цесаревич, по крайней мере, разделит с матерью «бремя власти». Но Екатерина II позволила сыну вступить лишь в обязанности генерал-адмирала русского флота и полковника кирасирского полка — в должности, пожалованные ему еще в 1762 году. Панин оставлен был при Павле обер-гофмейсте-ром, то есть продолжал играть роль воспитателя.
Между тем полным ходом шли переговоры о женитьбе Павла. Выбор Екатерины пал на принцессу Гессен-Дармштадскую Вильгельмину. 29 сентября 1773 года состоялось бракосочетание Павла (в православии она приняла имя Натальи Алексеевны). Панин, осыпанный милостями, получил отставку от должности воспитателя, сохранив, однако, свое влияние на цесаревича.
В 1774 году Павел много работает над проектом «Рассуждение о государстве вообще», который он подал Екатерине. Для того чтобы сохранить «счастливое расположение» России, Павел предлагал отказаться от наступательных войн и готовиться лишь к войнам оборонительным. Для этого сосредоточить на границах империи четыре армии против Швеции, против Пруссии и Австрии, против Турции, а четвертую — в Сибири. Все прочие полки расквартированы внутри страны в постоянных местах дислокации, получая рекрутов и продовольственное содержание от местных жителей. Со временем от рекрутских наборов предполагалось отказаться, пополняя армию солдатскими детьми. Полки получают одинаковые штаты, четкие уставы и инструкции, где оговариваются права и обязанности всех военнослужащих. Вводилась железная дисциплина и персональная ответственность. Многие историки рассматривают этот документ как политическое кредо Павла.
Екатерина II встретила сочинение сына более чем сдержанно, ведь оно содержало скрытую критику ее правления. Может быть, вследствие этого Павел не получил места ни в Сенате, ни в Императорском совете. Фактически онбыл отстранен от дел и постоянно чувствовал противостояние Г.А. Потемкина, фаворита Екатерины II.
В 1776 году Павла постигла семейная трагедия: 15 апреля скончалась при родах Наталья Алексеевна. Екатерина II, чтобы «излечить» сына и показать, насколько покойная не стоит его слез, передала ему любовную переписку жены с Разумовским, к тому времени уже удаленным от двора. Одновременно начались хлопоты о браке цесаревича с 17-летней принцессой Виртембергской Софией-Доротеей. Душевная драма оставила глубокий отпечаток: от прежней веселости не осталось и следа, характер Павла сделался мрачным и замкнутым.
13 июня 1776 года цесаревич выехал в Берлин для знакомства с будущей женой.
Павел был очарован Фридрихом II, своей невестой, Пруссией. Прусская государственная система в целом, и прусская армия в частности, понравилась ему порядком, основанным на централизации, регламентации и железной дисциплине. Екатерина приняла невесту сына ласково, но без особой сердечности, о чем та вспоминала даже в старости. 26 сентября 1776 года была отпразднована свадьба. Новая великая княгиня, нареченная при крещении Марией Федоровной, с редким единодушием оценивалась современниками как «ангел во плоти».
Прусские симпатии цесаревича, укрепившиеся за время его жизни в Берлине, встретили понимание и сочувствие как со стороны жены, так и со стороны Панина. Именно с позиций своих пруссофильских настроений Павел не стеснялся резко критиковать политику матери.