Великий князь Николай Александрович был первенцем наследника цесаревича Александра Александровича, будущего императора Александра III, и его супруги Марии Фёдоровны. Он появился на свет 6 мая 1868 г., в день, когда православная церковь чтит память святого Иова Многострадального, и это совпадение стало знамением той странной обречённости, которую замечали в нём многие из окружавших его людей. Позднее, в тяжёлые годы царствования, император не раз упоминал это обстоятельство, говоря о своей внутренней готовности принять испытания, которые одно за другим обрушивались на него в государственной и личной жизни. Получил прекрасное образование: расширенный курс гимназии, университетский курс по объединённой программе государственного и экономического отделений юридического факультета, курс Академии Генерального штаба. Преподаватели Николая, среди которых были видные государственные и военные деятели, авторитетные учёные, отбирались самым тщательным образом и представляли собой поистине блестящую когорту специалистов. Роль духовного и идеологического наставника цесаревича бесспорно принадлежала К. П. Победоносцеву, который читал Николаю курсы законоведения, государственное, гражданское и уголовное право. Каноническое право, богословие, историю церкви и религий излагал протопресвитер И. Л. Янышев. Е. Е. Замысловский вёл политическую историю; профессор-экономист, министр финансов в 1881-1886 гг. и председатель Комитета министров в 1887-1895 гг. Н. X. Бунте преподавал Николаю статистику и политэкономию; министр иностранных дел России в 1882-1895 гг. Н. К. Гирс вводил цесаревича в сложный мир европейских международных отношений; академик Н. Н. Бекетов читал курс общей химии. Профессору и члену-корреспонденту Петербургской академии наук, главному редактору многотомных изданий — «Энциклопедии военных и морских наук» и «Обзора войн России от Петра Великого до наших дней» — генералу от инфантерии Г. А. Лееру были доверены курсы стратегии и военной истории. Военный инженер-генерал Ц. А. Кюи, он же известный композитор, проводил занятия по фортификации. Историю военного искусства читал А. К. Пузырёвский. Этот ряд успешно дополняли профессора Академии Генштаба генералы М. И. Драгомиров, Н. Н. Обручев, П. К. Гудима-Левкович, П. Л. Лобко и другие.
Углублённое изучение военных дисциплин сочеталось у Николая с прохождением действительной службы в рядах гвардии. Ещё в семилетием возрасте он был произведён в прапорщики и зачислен в лейб-гвардии Эриванский полк; в последующие годы он последовательно зачислялся в различные гвардейские полки и получал очередные офицерские звания. С особенной радостью встретил Николай зачисление в 1887 г. в прославленный Преображенский полк, которым в те годы командовал его любимый дядя, великий князь Сергей Александрович; в составе этого полка он провёл два лагерных сбора. Военная карьера Николая достигла своей вершины 6 августа 1892 г., когда он был произведён в полковники. Из-за преждевременной кончины Александра III его сыну не суждено было стать генералом российской армии, которыми были все его предшественники на престоле и большинство великих князей. Императоры не присваивали воинских званий самим себе…
С мая 1889 г. Николай Александрович стал участвовать в работе Государственного совета и Комитета министров. В 1890-1891 гг. совершил путешествие на Дальний Восток, по пути посетив много стран. В Японии на него в апреле 1891 г. было совершено покушение. Во время голода 1891-1892 гг. возглавлял Особый комитет по оказанию помощи населению губерний, пострадавших от неурожая. С 1892 г. состоял председателем Комитета Сибирской железной дороги, на который было возложено руководство строительством самой протяжённой в мире магистрали.