Устроенное для наследника по образцу отцовского ознакомительное путешествие по России охватило только ее европейскую часть и было разбито на два этапа: летом 1861 года состоялась поездка по Волге на Нижегородскую ярмарку и оттуда в Казань, а летом 1863 года — еще одна, от Петрозаводска до Астрахани и Дона. Цесаревича встречали восторженно. Он посещал университеты и хлебные баржи, мельницы, лавки, харчевни, крестьянские избы и казачьи курени, различные производства; интересовался технологиями, работой ремесленников, заработками рабочих, положением студентов, ценами.
«Войдя в избу крестьянина Куранова, — писала тогдашняя газета, — Цесаревич, по народному обычаю, положил три поклона перед святыми иконами и, заметив в божнице старинные образа, разговаривал о них с хозяином. На набожных хозяев и крестьян произвели сильное впечатление слова его высочества о старинных иконах: из этих слов они узнали, что он хорошо изучил русское иконописание и его пошибы. „На Божье-то милосердие дока какой!“ — говорили крестьяне. Но еще больше удивило их, когда его высочество, взяв из божницы кожаную лестовку, стал расспрашивать Куранова о значении ее и сам говорил, что четыре лопасти лестовки знаменуют четырех евангелистов, обшивка их — евангельское учение и т. п. <…> Нельзя описать впечатления, произведенного этим на народ, увидевший, что наследник знает и уважает заветные русские обычаи. „Русский! Настоящий русский! Слава Тебе Господи!“ — говорили крестьяне и крестьянки со слезами на глазах; многие набожно крестились».
В 1863 году Николай Александрович писал из поездки младшему брату: «Ваше Высочество, августейший братец мой Алексей Александрович, здравствуйте и преуспевайте! Ваш братец Николашка Вам кланяется и желает много лет здравствовать. Думается мне, что подзабыли вы братца вашего набольшего, вот и взял перо гусиное и отписываю вам цидулку сию неграмотную.
Я, слава Богу, жив и здоров и преуспеваю в путь-шествии моем. Газет и писем моих к братцам, думаю, вы не читаете по малой вашей, не в обиду будь сказано, грамотности. Так я сам хочу вашу милость известить и с вами малое время покалякать. Теперь аз малое время плыву на некоем паровом ките, именуемом „Поспешный“, сиречь „скоро ползущий“. Идем мы вниз по матушке по Волге, по широкому раздолью. Воистину, Ваше Высочество, широкое раздолье. Хорошо море, да Волга лучше… Берега, Ваше Высочество, какие! Страсти сущие! Почище будет, чем в Петергофской речке, высоко и привольно. Гуляй, сколько душе угодно… Хорошо, доложу вам, также на Нижний посмотреть, из себя красив выглядит; ну и город важный, богатый — все есть. Вот доложу, какие есть тут, стоят и проживают городища: Рыбинск, Ярославль, Кострома прозываются пресущественные города! Особливо Ярославль из себя красив: ну и богатеющие купцы тут проживают и на ярмонку в Низовой Новгород ездят, там торг свой ведут. Эти города называю вам, потому что вы в географии еще не тверды, а может, до того не дошли, а где-нибудь по Америке или по Африке прогуливаться с указкой изволите. Ну, признаться, и я не твердо их знал, а вот как теперь, то и помню…»
Когда Николай писал эти полные веселья и юмора строки, жить ему оставалось чуть больше полутора лет.
Отец хотел, чтобы сын, отличавшийся хрупким телосложением, побольше занимался физическими упражнениями. Однажды, участвуя в скачках, великий князь упал с лошади и сильно ушиб спину. Видимо, эта травма, которой врачи поначалу не придали значения (рентгена в те времена не существовало), стала причиной патологии спинного мозга, приведшей в итоге к преждевременной гибели наследника.
«На ближайших к нему точно какое-то затмение нашло, никто не замечал, что с того времени великий князь худел, бледнел, одним словом, угасал, — писала современница. — Он под конец не мог даже выпрямиться, а ходил немного сгорбленным». Никому и в голову не приходило, что это признаки серьезной болезни. Бледность приписывали усталости от интенсивных занятий или путешествия, а с сутулостью воспитатели боролись обычными призывами держаться прямее. В 1861 году у наследника начались довольно сильные боли в спине. Врачи лечили его от ревматизма.
18 июня 1864 года, завершив свое образование, цесаревич выехал в заграничное путешествие и довольно скоро нашел девушку, с которой решил связать свою судьбу, — принцессу Дагмар Датскую. Родители одобрили его выбор; в сентябре 1864 года состоялась помолвка. Свадьба была назначена на лето 1865 года. «Теперь я у берега, — говорил Николай другу. — Бог даст, отдохну и укреплюсь зимой в Италии; затем свадьба, а потом новая жизнь, семейный очаг; служба и работа. Пора… У нас вся будущность впереди. Здесь, в Европе, лето, а у нас, в России, весна, с ее неурядицами, но зато и с ее надеждами, с ее первыми отпрысками пробуждающейся жизни. Вся работа впереди… Мне кажется, что и люди есть, но только их не ищут. Сколько людей, и дельных, и интересных, нам пришлось видеть в прошлом году во время нашего путешествия по России…»