Последние четыре года в общем плане учебных занятий наследника-цесаревича были предназначены для курса высших наук, но сложность программы привела к необходимости продолжения занятий еще на один год. Курс высших наук направлен был к достижению двух целей: изучению с достаточной подробностью военного дела и основательному ознакомлению с главнейшими началами юридических и экономических наук, необходимых для государственного деятеля.
Для усвоения строевой службы и ознакомления с войсковым бытом наследник-цесаревич провел два лагерных сбора в рядах лейб-гвардии Преображенского полка, исполняя обязанности сперва субалтерн-офицера, а потом ротного командира, после чего два летних сезона посвятил кавалерийской службе в рядах лейб-гвардии гусарского его величества полка в качестве взводного офицера и эскадронного командира; наконец, один лагерный сбор состоял в рядах артиллерии и до самого восшествия на престол командовал, в чине полковника, первым батальоном лейб-гвардии Преображенского полка.
Для практического ознакомления с вопросами гражданского управления наследник-цесаревич с 6 мая 1889 года участвовал в заседаниях Государственного совета и Комитета министров. Наконец, в план образовательной программы входило и ознакомление на месте с различными областями России, для чего наследник-цесаревич сопровождал своего августейшего родителя в многочисленных поездках его по России.
В октябре 1890 года наследник-цесаревич предпринял путешествие на Дальний Восток, направившись через Вену, Триест, Грецию и Египет в Индию, Китай и Японию и практически ознакомившись на пути с трудностями военно-морского дела. В Китае августейший путешественник совершил экскурсию по реке Янцзы. В Японии наследник-цесаревич посетил город Отсу, где 23 апреля 1891 года некий фанатик Санзо Цуда, находившийся в числе полицейских, совершил покушение на жизнь его высочества, нанесши ему удар саблей в голову; злоумышленник собирался повторить удар, но был сбит с ног греческим королевичем Георгом. К счастью, рана оказалась неопасной. Обратный путь наследник-цесаревич совершил сухим путем, проехав всю Сибирь.
Во Владивостоке его высочество присутствовал при открытии работ Сибирской железной дороги и собственноручно свез на полотно ее тачку земли. При его высочестве состоялись во Владивостоке закладка дока и памятника адмиралу Невельскому, а в Хабаровске – открытие памятника Муравьеву-Амурскому. Посещение Сибири наследником-цесаревичем император Александр III ознаменовал изданием именного указа от 17 апреля 1891 года, смягчившего и сократившего наказания, отбываемые в Сибири.
В начале августа того же года наследник-цесаревич благополучно закончил свое путешествие, продолжавшееся более 9 месяцев. В конце того же года наследник-цесаревич призван был к председательствованию в особом комитете по доставлению помощи населению губерний, пострадавших от неурожая; комитет этот действовал до 5 марта 1893 года, собрав пожертвований свыше тринадцати миллионов рублей. В 1892 году наследник-цесаревич был назначен председателем Комитета Сибирской железной дороги, председательство в котором оставил за собой и по восшествии на престол.
В апреле 1894 года наследник-цесаревич был помолвлен с принцессой Алисой Гессенской, дочерью великого герцога Гессенского, внучкой английской королевы Виктории и сестрой царствовавшего великого герцога Гессен-Дармштадтского, Эрнеста-Людвига. Высоконареченная невеста, принявшая, по присоединении к православной церкви 21 октября 1894 года, имя Александры Федоровны, прибыла в Россию за полторы недели до кончины императора Александра III.
Манифест о восшествии на престол государя императора Николая Александровича, выражая беспредельность сыновней его скорби о невознаградимой утрате, вместе с тем возвестил, что отныне он, проникшись заветами усопшего родителя своего, приемлет «священный обет перед лицом Всевышнего всегда иметь единой целью мирное преуспеяние, могущество и славу дорогой России и устроение счастья всех его верноподданных». Соответствующая циркулярная нота разослана была представителям России при иностранных дворах 28 октября 1894 года.
В ноте этой было заявлено, что его величество, воодушевленный «твердой решимостью всецело принять на себя высокую задачу, которую предначертал себе незабвенный возлюбленный его родитель император Александр III, посвятить все свои заботы развитию внутреннего благосостояния России и ни в чем не уклониться от вполне миролюбивой, твердой и прямодушной политики, столь мощно содействовавшей всеобщему успокоению», причем Россия «будет по-прежнему усматривать в уважении права и законного порядка наилучший залог безопасности государства».