В конце следующего года Екатерина увлеклась польским графом Станиславом Понятовским, находившимся в то время в Петербурге в качестве секретаря английского посольства. Их связь обнаружил Петр Федорович, который предложил жене перестать обманывать друг друга. С этого времени они со своими «предметами» образовали своеобразный «квартет» приятелей и союзников. Понятовский вспоминал о том, как они несколько раз ужинали вчетвером, после чего великий князь уводил Воронцову со словами: «Ну, итак, мои дети, я вам больше не нужен, я думаю». Впрочем, близкие отношения великокняжеской четы, по-видимому, еще не были окончательно прерваны. Девочка, родившаяся у Екатерины 9 сентября1757 года и нареченная великой княжной Анной Петровной, не вызывала у Петра Федоровича сомнений в своем отцовстве. Напротив, он, если верить Екатерине, «очень радовался рождению ребенка, устраивал у себя в комнате торжественные увеселения, велел праздновать это событие в Голштинии и с полным самодовольством принимал поздравления». Анна умерла от оспы в полуторагодовалом возрасте 12 апреля 1759 года. Примерно тогда же брак наследника престола окончательно приобрел формальный характер, хотя Екатерина рассчитывала остаться необходимой мужу, который по-прежнему прибегал к ее поддержке и советам.
Долгое время основным серьезным занятием Петра Федоровича являлись дела по управлению Голштейном, владетельным герцогом которого он стал 7 мая 1745 года. Наследник российского престола горячо любил свою германскую родину, что обещало в дальнейшем серьезно осложнить внешнюю политику России. Северная часть владений Голштейн-Готторпских герцогов — Шлезвиг — была захвачена Данией в 1713 году, и голштейнский принц с раннего детства проникся мечтами своего отца о восстановлении "попранной справедливости». Датское правительство предвидело неприятности в случае воцарения Петра Федоровича, поэтому предложило ему обменять Голштейн на датские владения в Германии Ольденбург и Дельменгорст. Переговоры по этому вопросу велись в течение нескольких лет, но однажды «его высочество внезапно изволил декларировать что сие дело пресечено быть имеет и он более о том слышать не хочет».
Вероятно, голштейнский патриотизм Петра Федоровича укрепился в 1754 году, когда Елизавета Петровна разрешила ему выписать из Голштейна большой отряд солдат и офицеров. Теперь он смог проводить в подаренном ему Ораниенбауме настоящие маневры и всецело отдался своему любимому делу. По словам Штелина, прибывшие в Россию голштейнские офицеры «возбудили в великом князе ненависть против Дании и желание отмстить датчанам за отнятие Шлезвига. При этом было страшное хвастовство». В компании офицеров Петр Федорович пристрастился к вину и курению, что вредно отражалось на его легковозбудимой натуре. Кроме того, новые товарищи укрепили в нем преклонение перед Фридрихом II и прусскими военными порядками. Между тем ожидалось вступление России в Семилетнюю войну. 14 марта 1756 года Елизавета Петровна вместе с Петром Федоровичем присутствовала на первом заседании Конференции при высочайшем дворе, после чего наследник престола стал считаться постоянным членом этого учреждения, призванного разрабатывать и осуществлять меры «к ослаблению короля прусского». Возможно, императрица рассчитывала, что ее племянник оценит оказанное ему доверие и в вопросе о предстоящей войне встанет на точку зрения правительства. Но Петр Федорович уже имел твердые убеждения в сфере внешней политики, являясь сторонником Пруссии и Англии и противником Австрии и Франции. Это проявилось со всей очевидностью в августе 1756 года, когда он отказался подписать решение Конференции о возобновлении русско-французских дипломатических отношений. Елизавета сочла его поступок следствием чьих-то внушений и «велела спросить у великого князя, кто ему отсоветовал подписаться, и сказать, что это дело ею решено. Он ответил с досадой, принимают ли его за дурака, чтоб не видеть, насколько это дело плохо сделано… что никогда не заставят его играть роль бесчестного человека и подписать то, чего он не одобрял». Через несколько дней он все же подписал документ, но заявил, что «сделал это только для того, чтобы понравиться императрице, но вовсе не потому, чтобы он одобрял самое дело». В начале следующего года Петр Федорович, по словам Штелина, стал отказываться от подписей под протоколами Конференции, в которых находил решения о начале военных действий против Пруссии и союзнических «аудиенциях» российской, австрийской и французской дипломатии. При этом он «говорил свободно, что императрицу обманывают в отношении к прусскому королю, что австрийцы нас подкупают, а французы обманывают и… что мы со временем будем каяться, что вошли в союз с Австрией и Францией». Последняя подпись наследника престола под протоколом Конференции была поставлена 5 мая 1757 года, после чего он не участвовал в работе учреждения.