До шести лет воспитанием Павла занимались только женщины — фрейлины и няньки. В результате он рос довольно пугливым. В 6-летнем возрасте Елизавета Петровна назначила ему нового наставника — камергера графа Никиту Ивановича Панина.
В первое время он назначил воспитателем великого князя Фёдора Дмитриевича Бехтеева. Он развил в нём любовь к военному делу, даже сделал для него азбуку, в которой буквы были в виде солдатиков. Воспламенил большое чувство гордости. Специально для мальчика печатали газету, в которой, отображались все поступки и действия великого князя.
После свержения Петра III воспитанием сына решила заняться мать. Немедленно по воцарении Екатерина обратилась было к французскому просветителю Даламберу, предлагая ему место воспитателя Павла, но после отказа Даламбера ехать в страну снегов и медведей поиски воспитателя заграницей были оставлены, и Павел остался в руках Панина.
Современники характеризовали его как одного из первых светских вертопрахов, но вместе с тем, как умного и европейски образованного человека. Он был в числе тех, кто поддерживал переворот 1762 года, так как надеялся, что императором будет провозглашён его воспитанник, а сам он будет играть в этом случае первенствующую роль в управлении государством. Но в Манифесте Екатерины о вступлении на престол Павел был объявлен не императором, а лишь наследником престола. Тогда Панин стал одним из самых суровых критиков Екатерины II. По отзыву одного из современников, «свободное время… он употребляет на то, чтобы ссорить мать с сыном и сына с матерью».
Панин настраивает молодого князя против матери, постоянно внушая ему, что на ней лежит вина за смерть его отца, а также то, что она намеренно не хочет и не допустит его к управлению государством.
Тем не менее, он старательно занимался образованием мальчика. В план обучения был включён солидный перечень наук. Павел изучал историю, географию, математику, русский, немецкий и французский языки. Он много читал — в частности Ломоносова, Державина, Расина, Мольера, Вольтера, Руссо.
Один из воспитателей Павла — Семён Андреевич Порошин, отмечал в своём дневнике: «Если бы Его Величество человек был партикулярный (частный) и мог совсем предаться одному только математическому учению, то бы по остроте своей весьма удобно быть мог нашим российским Паскалем».
Другой современник, в ту пору гвардейский офицер, Николай Александрович Саблуков: «Павел знал в совершенстве языки: славянский, русский, французский, немецкий, имел некоторые сведения в латинском, был хорошо знаком с историей и математикой; говорил и писал весьма свободно и правильно на упомянутых языках».
По мнению Панина, воспитание Павла Петровича должно было соответствовать воспитанию как французского дофина, в духе рыцарства, галантности. В натуру Павла навсегда вкоренились эстетическая впечатлительность, слабонервность, с одной стороны, и поклонение рыцарским добродетелям: великодушию, мужеству, стремлению к правде, защите слабых и уважению в женщине — с другой. На нём сказались впоследствии все достоинства и недостатки французского воспитания: живой, любезный, остроумный, он полюбил внешность, декорации, любил щеголять своими костюмами и десяти-одиннадцати лет уже был занят «нежными мыслями», выступал на торжествах, танцевал на балах с фрейлинами императрицы. Томная атмосфера екатерининского двора способствовала пробуждению в Павле чувственности.
Уже в возрасте десяти лет от многих дам он получает любовные записки с надеждой на его расположение. Например, одна старая дева София Гельвиг присылает ему рубашку из батистовой ткани, сотканную собственноручно, а в дополнение к ней шлёт пылкое любовное послание.
Позднее он обзавёлся и юными любовницами. Но эти многочисленные «романы» носили часто лишь платонический характер, а также имели «налёт» рыцарства, который молодой князь вычитал в иностранных романах. Хотя случались и исключения. Первая его настоящая возлюбленная — фрейлина Вера Чоглокова.
20 сентября 1772 года был день вступления Павла в возраст совершеннолетия. Увы, мечты о престоле не сбылись. Мать даже ничем не ознаменовала совершеннолетие сына. Отныне Павел для неё — лишь нежелательный претендент на престол, имеющий на него гораздо большие права, чем она. Произошла фактически вторая (после переворота 1762 года) узурпация престола Екатериной.
Зато его женили. Выбор Екатерины остановился на Гессен-Дармштадтской принцессе Вильгельмине, которая приняла имя Натальи Алексеевны.
Павел по-настоящему влюбился в свою невесту. 29 сентября 1773 г. состоялось бракосочетание. Но через 3 года, когда Наталья умерла после неблагополучных родов, выяснилось, что у неё был любовник — князь Андрей Разумовский.
Сильное душевное потрясение, которое испытал великий князь Павел Петрович после смерти первой супруги, вновь сблизило его с матерью. Екатерина поспешила прописать сыну лучшее средство от меланхолии — женитьбу.
