Подводя итоги наблюдению за жизнью «молодого двора» в 1748—1753 годах, Штелин вынужден был признать: «Великий князь забывает всё, что учил, и проводит время в забавах». Время шло, а желанного наследника всё не было. Наконец терпение императрицы кончилось. Комиссия из придворного хирурга и повивальной бабки установила, что у молодой четы отсутствуют супружеские отношения по вине мужа. Французский дипломат сообщал в Париж: «Великий князь, не подозревая этого, был не способен иметь детей от препятствия, устраняемого у восточных народов обрезанием, но которое он считал неизлечимым. Великая княгиня, которой он опротивел, и не чувствующая ещё потребности иметь наследников, не очень огорчалась этим злоключением». Хирургическое вмешательство помогло справиться с «крайней невинностью» влюбчивого великого князя, который стал отныне пользоваться своими мужскими возможностями...
Однако не было ли «излечение» лишь ширмой, за которой решалась важнейшая государственная задача производства легитимного наследника престола и продолжателя династии? Современные исследователи жизни Петра III и мемуаров Екатерины II О. А. Иванов и М. А. Крючкова склоняются к тому, что великому князю врачи могли помочь стать мужем, но не отцом — он был бесплоден. Сама же Екатерина отнюдь не была невинной овечкой (об этом речь пойдёт ниже). Как бы то ни было (и кто бы ни был отцом ребёнка), официально молодая чета свою миссию исполнила: 20 сентября 1754 года на свет появился долгожданный цесаревич Павел Петрович. К тому времени повзрослевшие Пётр и Екатерина уже стали чужими людьми: у каждого были свой круг друзей и свои интересы.
После рождения сына великая княгиня увлеклась секретарём английского посла, молодым польским графом Станиславом Августом Понятовским — галантным и образованным кавалером, а Пётр влюбился в юную фрейлину «молодого двора» графиню Елизавету Воронцову, некрасивую и грубоватую барышню, похожую, как утверждали злые языки, «на трактирную служанку самой низкой пробы». Секретарь французского посольства объяснял её успех тем, что «девица сумела так подделаться под вкус великого князя и его образ жизни, что общество её стало для сего последнего необходимым». Супруги не скрывали своих «предметов»; Понятовский вспоминал, как они ужинали вчетвером, после чего великий князь уводил Воронцову, говоря жене и её любовнику: «Ну, итак, мои дети, я вам больше не нужен, я думаю».
По мере взросления и приобщения к государственной деятельности Пётр Фёдорович вызывал у Елизаветы и её окружения всё большее беспокойство. Он не только выучился играть на скрипке, но одновременно стал, как подобает бравому офицеру, лихо курить и пить. Кавалеров и лакеев в его придворном войске сменили выписанные из отечества голштинские солдаты и офицеры. С началом Семилетней войны он вошёл в состав высшего государственного органа империи — Конференции при высочайшем дворе, разрабатывавшей планы военных действий против Пруссии и обсуждавшей отношения с союзниками — Австрией и Францией, вопросы комплектования и снабжения армии. Наследник же, преклоняясь перед Фридрихом II, заявлял, «что императрицу обманывают в отношении к прусскому королю, что австрийцы нас подкупают, а французы обманывают», и гордился тем, что курьеры из Пруссии привозят ему верную информацию. Елизавета вывела Петра из состава Конференции. Возник проект возведения на престол Павла, но осторожная императрица в конце жизни так и не решилась на это, а многие люди из её окружения стремились заранее обеспечить благосклонность великого князя. Поддержка со стороны Шуваловых вкупе с лояльностью жены (как-никак она становилась императрицей) и собственными усилиями по привлечению на свою сторону гвардейских офицеров обеспечили спокойный переход престола.
Как вспоминал позднее секретарь Петра III Д. В. Волков, он подготовил текст манифеста и присяги ещё при жизни Елизаветы. 25 декабря 1761 года наследник с супругой попрощались с умиравшей, и в половине четвёртого вечера она скончалась. Новый император в Преображенском мундире объехал построенные вокруг дворца гвардейские батальоны и обратился к ним: «Ребята, я надеюсь, что вы не оставите меня сегодня». Гвардейцы радовались: «Слава Богу, наконец после стольких баб, управлявших Россией, у нас теперь опять мужчина императором». Так триумфально началось новое царствование. Тогда никто не предполагал, что оно трагически завершится уже через несколько месяцев.
Начавшаяся с 1850-х годов публикация источников в подцензурных и бесцензурных изданиях сделала тему правления Петра III и переворота в пользу его супруги открытой для исследования, несмотря на все усилия властей не допускать публичного оглашения неудобных для династии подробностей. Большинство авторов на основании ставших доступными материалов, в том числе весьма тенденциозных мемуаров самой Екатерины II, выносили Петру III однозначный обвинительный приговор.
