Утром этого дня 15 мая произошел стрелецкий бунт. Милославские дали знать в стрелецкие слободы, что изменники задушили царя Ивана. Стрельцов звали в Кремль. Они выступили в боевом порядке, успели занять кремлевские ворота, прекратили сношения Кремля с остальным городом и подошли ко дворцу. Услышав о приближении стрельцов, во дворце собрались бояре, бывшие в Кремле, и патриарх. На дворцовом совете было решено показать стрельцам и Ивана, и Петра, чтобы сразу убедить их в полном отсутствии всякой измены и смуты во дворце. Царица Наталья вывела царственных братьев на Красное крыльцо, и стрельцы, вступив в разговор с самим Иваном, услышали от него, что «его никто не изводит, и жаловаться ему не на кого». Эти слова доказали стрельцам, что они жертва чьего-то обмана, что изменников нет и истреблять некого. Старик Матвеев умелой и сдержанной речью сумел успокоить стрельцов настолько, что они хотели разойтись. Но Михаил Юрьевич Долгорукий испортил дело. Будучи, после отца своего Юрия вторым начальником Стрелецкого приказа и думая, что теперь стрельцы смирились, он обратился к толпе с бранью и грубо приказал ей расходиться. Стрельцы, подстрекаемые людьми из партии Милославских, накинулись на него, убили, а затем бросились во дворец искать других «изменников». Матвеева они схватили на глазах у царицы Натальи и Петра (некоторые рассказывали, что даже выхватили из их рук) и рассекли на части; вслед за Матвеевым были схвачены и убиты бояре князь Ромодановский, Афанасий Нарышкин и другие. Особенно искали стрельцы ненавистного Милославским Ивана Нарышкина, брата царицы, но не нашли. Мятеж кончился убийством Ивана.
Таким образом, еще не возмужавший Петр стал свидетелем и участником кровавой бойни, где были преданы жуткой смерти его родные и сторонники. Увиденные им жестокости будут впоследствии формировать его собственное отношение к изменникам и врагам, которым Петр не давал пощады. Он так был потрясен событиями «майских дней» 1682 года, что от испуга у него начались и в дальнейшем при волнении проявлялись конвульсивные движения головы и лица.
С мая по октябрь 1682 года длилось смутное время, которое кончилось возвращением двора в Москву; настало так называемое «правление царевны Софьи» (1682-1689).
Образование Петра было мимолетным. Он знал грамоту и немного исторических сведений. Основное время проводил за военными играми. Будучи царем, он в то же время пребывал в опале с десяти лет и должен был с матерью жить в потешных подмосковных селах, а не в Кремлевском дворце. Воспитатель Петра, князь Борис Голицын, не слишком следил за царевичем, да и мать позволяла ему делать все, что он захочет. Петр сам выбирал себе товарищей из круга придворных и дворовых служителей царицына двора. При этом Петр все-таки стремился к самообразованию.
В 1683 году Петр учреждает уже «потешные полки». В ноябре того же года он начинает формировать Преображенский полк из охочих людей (до конца дней своих Петр помнил, что первым охотником был придворный конюх Сергей Бухвостов). В этом полку Петр был не государем, а товарищем-соратником, учившимся наравне с прочими солдатами военному делу. Он предпринимает маневры и небольшие походы, на Яузе строится потешная крепость (1685 г.), названная Пресбургом. Эти военные «потехи» требуют военных припасов и денежных средств, которые и отпускаются Петру из московских приказов. Правительство Софьи не видит для себя никакой опасности в таких «потехах». Позже оно горько об этом пожалеет. Стоявший вне придворного этикета, Петр, по выражению С. М. Соловьева, мешал родовитых людей и простолюдинов в одну «дружину», и из этой дружины бессознательно готовил себе преданных сотрудников.
Любознательность и стремление к образованию были отличительными чертами юного Петра. В предисловии к «Морскому Регламенту» сам Петр рассказывает, что князь Яков Долгорукий привез ему в подарок из-за границы астролябию, и никто не знал, как сладить с иностранным инструментом; тогда нашли Петру знающего человека, голландца Франца Тиммермана, который объяснил, что для употребления астролябии нужно знать геометрию и иные науки. У этого-то Тиммермана Петр «гораздо с охотою пристал учиться геометрии и фортификации». В то же время он нашел в селе Измайлове близ Москвы старый английский бот, валявшийся в амбаре. Тиммерман объяснил Петру, что на этом боте можно ходить против ветра, лавировать (чего русские не умели). Петр заинтересовался и отыскал человека (как и Тиммермана — из Немецкой слободы), голландца Карштен-Бранта, который стал учить Петра управлению парусами. Сперва учились на узенькой Яузе, а потом — на пруде в селе Измайлове.