Раннее детство Петра Ильича прошло в городе Воткинск, на Урале, куда начальником сталелитейного завода был назначен его отец, Илья Петрович. Семья у Чайковских была большая; от первого брака у Ильи Петровича была дочь Зинаида, а от брака с Александрой Андреевной, дочерью французского эмигранта Ассиера, шестеро детей: старший сын Николай, затем Петр, родившийся 25 апреля 1840 года, после него Александра, Ипполит и уже через десять лет после рождения Петра – близнецы Модест и Анатолий.
Маленький Петя рос ребенком тихим, нервным, чувствительным и впечатлительным. За ранимость и хрупкость французская гувернантка Фанни, которую он очень любил, прозвала его «стеклянным мальчиком». Когда Пете исполнилось пять лет, отец заказал из Петербурга механическую оркестрину, игравшую отрывки из известных опер. Именно тогда Петя впервые по-настоящему проникся музыкой: ария Церлины из «Дон Жуана» вызвала в нем всепоглощающий восторг и трепет, которые он впоследствии постоянно будет чувствовать при создании собственной музыки. Последовали первые уроки игры на пианино – сначала от матери, потом от специально приглашенной учительницы. Музыка не давала ему покоя: он выстукивал ритмы по всем подворачивающимся поверхностям, а однажды так увлекся, барабаня по оконному стеклу, что разбил его и порезался. По ночам он часто не спал и плакал, приговаривая: «О, эта музыка! Она у меня в голове!»
Затем семья переехала в Алапаевск, где отец снова стал управлять заводами, а Петра – ему уже исполнилось десять лет – отдали на подготовительные курсы в Петербургское училище правоведения – привилегированное мужское учебное заведение. Разлуку с семьей он переживал тяжело, учился без особого энтузиазма, писал страстные письма домой, родителям. Оживился, только когда семейство обосновалось в Петербурге, любимая мама опять была рядом. Но счастье его было недолгим – в 1854 году Александра Андреевна умерла от холеры. Эту потерю Петр переживал очень тяжело и долго не мог оправиться. «Я никогда не смогу смириться с мыслью о том, что моей дорогой матушки, которую я так любил, больше нет», – писал он через двадцать три года после ее смерти.
Некоторое утешение нашлось в школе, где еще за год до смерти матери Петра появился новый ученик, Алексей Апухтин, ставший первой любовью будущего композитора. Апухтин уже тогда был весьма знаменит – он писал стихи, и ему прочили славу Пушкина. По характеру же Алексей был полной противоположностью романтичного, положительного и добродушного Петра, подвергая основы, которые казались тому незыблемыми, циничным насмешкам. Роман их длился и в школьные годы, и еще несколько лет после ее окончания – впрочем, уже без прежнего пыла. Приятельские же отношения они сохранили на всю жизнь, и Чайковский позже написал несколько романсов на стихи своего школьного друга.
Музыкой в училище занимались немного, но Петр часто ходил в оперу, а еще брал уроки у пианиста-виртуоза Рудольфа Кюндингера. Впрочем, когда Илья Петрович спросил у Кюндингера, есть ли у его сына способности и имеет ли ему смысл учиться дальше на музыканта, тот ответил, что нет – ни композитором, ни даже выдающимся исполнителем юноше не бывать. Отец, однако, в сына, который к тому времени уже окончил училище и поступил на чиновничью службу при министерстве юстиции, верил и настаивал, чтобы он продолжал параллельно со службой свое музыкальное образование.