Мать Петра, Анна Петровна, скончалась от чахотки через два месяца после его рождения в небольшом голштинском городе Киле. Её сокрушили тамошняя жизнь и несчастное супружество. Отец Петра, голштинский герцог Карл Фридрих, племянник шведского короля Карла XII, был государь слабый, бедный, дурён собой, небольшого роста и слабого сложения. Он умер в 1739 году, а опеку над его сыном, которому было тогда около 11 лет, принял его двоюродный брат герцог Голштинский и епископ Любекский Адольф Фридрих, вступивший потом на шведский престол. Пётр был от природы слабым, хилым и невзрачным на вид ребёнком.
Главными воспитателями были гофмаршал его двора Брюммер и обер-камергер Берхгольц. Ни тот ни другой не подходили на эту роль. По свидетельству француза Милле, Брюммер годен был только на то, «чтобы воспитывать лошадей, а не принцев». Он обращался со своим воспитанником чрезвычайно грубо, подвергал его унизительным и тягостным наказаниям, заставляя стоять на коленях на рассыпанном по полу горохе, оставлял без обеда и даже подвергал побоям. Унижаемый и стесняемый во всём, Пётр усвоил дурные вкусы и привычки, стал раздражителен, вздорен, упрям и фальшив, приобрёл печальную наклонность лгать, с простодушным увлечением веруя в свой собственный вымысел. Вместе с тем принц оставался тщедушным и непривлекательным как в физическом, так и в нравственном отношении. Он обладал странной, беспокойной душой, заключённой в узком, малокровном, преждевременно истощённом теле. Ещё в детстве он обнаружил склонность к пьянству, из-за чего воспитатели вынуждены были пристально следить за ним на всех приёмах.
Сначала Петра готовили к восшествию на шведский престол и заставляли учить лютеранский катехизис, шведский язык и латинскую грамматику. Но Елизавета I, сделавшись русской императрицей и желая обеспечить наследование по линии своего отца, командировала майора Корфа с поручением во что бы то ни стало взять её племянника из Киля и доставить в Петербург. Пётр приехал в русскую столицу 5 февраля 1742 года и был вскоре объявлен великим князем и наследником русского престола. Пообщавшись с племянником, Елизавета поражена была его невежеством и велела немедленно заняться обучением. Из этого благого намерения вышло мало путного. Преподаватель русского языка Веселовский с самого начала являлся редко, а потом, убедившись в полной неспособности своего подопечного, и вовсе перестал ходить. Профессор Штелин, которому поручено было обучать наследника математике и истории, проявил больше настойчивости. Очень скоро он понял, что великий князь «не любит глубокого размышления».
Он приносил на уроки книги с картинками, древние русские монеты и по ним рассказывал древнюю историю России. По медалям Петра I Штелин рассказывал историю его царствования. Читая ему газеты, он проходил так всеобщую историю.
Впрочем, гораздо важнее для Елизаветы было приобщить племянника к православию. С этой стороны тоже столкнулись с немалыми трудностями, поскольку Пётр с детства усвоил правила самого строгого и наименее веротерпимого лютеранства. Наконец после многих для себя неприятностей он подчинился воле императрицы, но при этом несколько раз говорил, что ему приятнее было бы уехать в Швецию, нежели оставаться в России.
Единственное занятие, которому Пётр предавался с самозабвенным упорством, была игра в солдатики. Он велел наделать себе множество самых разных солдатиков: восковых, свинцовых и деревянных и расставлял их в своём кабинете на столах с такими приспособлениями, что если дёрнуть за протянутые по столам шнурки, то раздавались звуки, похожие на беглый ружейный огонь. В табельные дни Пётр собирал свою дворню, надевал генеральский мундир и производил парадный смотр своим игрушечным войскам, дёргая за шнурки и с наслаждением вслушиваясь в батальные звуки. Любовь к этим ребяческим играм великий князь сохранял долгое время даже после женитьбы на Екатерине.