После смерти Анны Карл Фридрих скорбел не только из-за потери юной жены, но также из-за того, что золотой поток, поступавший в Киль из царской казны в Санкт-Петербурге, теперь мог иссякнуть. Расходы герцога были довольно высоки. Он содержал большое количество слуг и целый отряд безвкусно разряженной стражи, оправдывая это тем, что он до сих пор считал себя наследником шведской короны. Всецело поглощенный своими тревогами, Карл Фридрих мало интересовался своим маленьким сыном. Заботу о мальчике поручили нянькам, а затем, когда ему исполнилось семь, французским гувернерам, которые научили его сносно говорить по-французски, хотя он всегда предпочитал свой родной, немецкий язык. В семь лет Петр начал проходить военную подготовку: учился стоять прямо, как караульный на посту, маршировать с миниатюрной саблей или мушкетом. Вскоре он проникся строгостью военной муштры. Во время занятий с учителем он мог вскочить и подбежать к окну, чтобы посмотреть на солдат, марширующих на плацу. Особенно счастливым он чувствовал себя, когда сам участвовал в парадах в форме солдата. Но Петр не отличался выносливостью. Он часто болел и тогда сидел в своей комнате, выстраивая на парад своих игрушечных солдатиков. Наконец, отец обратил на него внимание. Однажды Петр, достигший к девятилетнему возрасту чина сержанта, нес караул у дверей в комнату, где герцог обедал со своими офицерами. Когда подали еду, голодный мальчик не сводил взгляда с блюд, которые проносили мимо него. Затем, когда подали вторые блюда, его отец встал и подвел его к столу, где торжественно объявил о присвоении сыну чина лейтенанта, после чего пригласил сесть за стол с офицерами. Годы спустя, уже в России, Петр вспоминал, что «это был самый счастливый день в моей жизни».
Образование Петра по большей части было бессистемным. Он отлично владел шведским и французским и учился переводить с этих языков на немецкий. Он любил музыку, хотя его интерес в этой сфере не находил поощрения. Ему нравилась скрипка, но он так и не научился должным образом играть на этом инструменте. Мальчик упражнялся самостоятельно, как умел – играл свои любимые мелодии и мучил слух окружающих.
В детстве перспективы Петра были весьма разнообразны. Он должен был унаследовать от отца герцогство Гольштейнское, а также его право на трон Швеции. По материнской линии он был единственным наследником мужского пола Петра Великого и, таким образом, являлся потенциальным претендентом на русский престол. Но после смерти его кузена царя Петра II Русский императорский совет проигнорировал притязания маленького гольштейнского принца, так же как и дочери Петра Елизаветы, и избрал на российский престол Анну Курляндскую. Гольштейнский двор, питавший большие надежды на связи маленького Петра с Россией, отреагировал с большой горечью. Вскоре после этого в Киле Россию стали высмеивать в присутствии мальчика как страну варваров.
Эти заманчивые перспективы предъявляли слишком высокие требования к маленькому Петру. Казалось, природа сыграла с ним злую шутку: ребенок, имевший близкую кровную связь с двумя могущественными соперниками в Великой Северной войне – он был внуком Петра, отличавшегося неукротимой энергией, и внучатым племянником непобедимого Карла, величайшего солдата своего времени, – оказался слабым, вялым и болезненным мальчиком, с выпученными глазами и провалившимся подбородком. Жизнь, которую ему приходилось вести, давивший на него груз ответственности оказались слишком тяжелым бременем. Под чужим руководством он безукоризненно исполнял бы свой долг. Он с удовольствием командовал бы полком. Но руководить целой империей или даже небольшим княжеством было ему не по силам.