14 августа Павел вернулся в Царское Село, а 31-го туда же приехала и София-Доротея, которая, приняв православие, получила имя Марии Федоровны, и 26 сентября 1776 года состоялось ее бракосочетание с великим князем. 12 декабря 1777 года у молодой четы родился первенец, сын Александр, будущий спаситель России и освободитель Европы. Это радостное для Павла и его супруги событие скоро было омрачено Екатериной: она взяла новорожденного Александра к себе на воспитание, и отец и мать только редко могли видеть его. Точно так же Екатерина поступила и при рождении второго сына, Константина Павловича, 27 апреля 1779 года. Конечно, это повело лишь к ухудшению и без того довольно холодных отношений Екатерины и Павла.
Взаимное охлаждение между императрицей-матерью и сыном началось еще до рождения Александра и вызывалось главным образом разницей взглядов на многие вопросы государственного управления.
Павел, жаждавший деятельности, получил однажды от императрицы предложение принять участие в управлении и вскоре представил ей «Рассуждение о государстве», не понравившееся Екатерине как наивностью некоторых мнений Павла, так и явным порицанием ее политики. Поэтому вскоре она совсем отстранила Павла от государственных дел. Он негодовал, впал в подозрительность, жаловался на несправедливость матери к нему, а когда последняя подарила ему Гатчино, он совершенно удалился от петербургской придворной жизни и замкнулся в кругу немногих близких друзей и единомышленников.
В Гатчине Павел прожил, в ожидании престола, 13 лет. Он выстроил там школу, больницу и четыре церкви для разных вероисповеданий, приняв содержание духовенства на свой счет. Стремясь улучшить положение крестьян, он часто помогал им деньгами и землей. Чтобы дать населению заработок, завел стеклянный и фарфоровый заводы, суконную фабрику и шляпную мастерскую. Но самым любимым его делом было устройство своей маленькой армии по прусскому образцу.
Екатерина совершенно не вмешивалась в гатчинские дела сына, предоставив ему полную свободу заниматься чем угодно. У нее уже созрел план устранить Павла от престола и передать верховную власть любимому внуку Александру. Когда Павел узнал об этом намерении матери, его душевное состояние сделалось еще тяжелее. Он стал подозревать в покушении на свои права всех окружающих, а особенно Александра, хотя последний ясно дал отцу понять свое несочувствие планам Екатерины. В связи с этим настроением Павла стоит составление в 1788 году им и Марией Федоровной закона о престолонаследии, опубликованного в день коронации Павла.
6 ноября 1796 года Екатерина внезапно скончалась, не осуществив передачи верховной власти Александру, и Павел вступил на всероссийский престол.
Впоследствии О. И. Лубяновский описывал начало царствования Павла так: «Царь сам за работой с ранней зари, с 6 часов утра. Генерал-прокурор, в доме которого жил князь Н. В. Репнин и я, каждый день отправлялся с докладом во дворец к 5.30 часам утра. Мир живет примером государя. В канцеляриях, в департаментах, в коллегиях – везде в столице свечи горели с пяти часов утра. С той же поры в вице-канцлерском доме, что был против Зимнего дворца, все люстры и комнаты пылали. Сенаторы с 8 часов сидели за красным столом. Возрождение по военной части было еще явственнее – с головы началось. Седые, с георгиевскими звездами военачальники учились маршировать, равняться, салютовать. Нельзя было не заметить с первого шага в столице, как дрожь, и не от стужи только, словно эпидемия, всех равно пронимала».
Вскоре по вступлении на престол Павел ввел во всей армии новую форму по прусскому образцу, усвоенному гатчинскими войсками. Большинство военных было очень недовольно этой формой, некрасивой и неудобной, но подчинилось воле императора, который говорил: «Эта одежда и Богу угодна, и вам хороша». Один лишь Суворов осмелился протестовать. Когда ему прислали образцы кос и мерки для буклей, он сказал: «Пудра не порох, букли не пушки, коса не тесак, я не немец – природный русак!» За это Суворов был уволен со службы без мундира.
В день своей коронации, 5 апреля 1797 года, Павел опубликовал закон о престолонаследии. В XVIII веке в России действовал заведенный Петром Великим порядок назначения наследника престола царствующим государем. По закону, изданному Павлом под названием «Учреждение об императорской фамилии», престол должен переходить от отца к старшему сыну.