Какое-то время у Царской семьи оставалась надежда, что их новорожденный сын здоров. Однако 8 сентября, когда Алексею Николаевичу было шесть недель от роду, неожиданно у него началось серьезное пупочное кровотечение. К этому времени сомнений у докторов практически не осталось – цесаревич болен гемофилией. Узнав о кровотечении у сына, императрица потеряла сознание. Удар для Государыни оказался тяжелейшим: ее любимый, долгожданный сын оказался болен страшной, неизлечимой болезнью, в которой «виновата» была она, его мать, передавшая ему ген ужасной болезни. С этого момента все мысли и поступки Александры Федоровны были связаны с заботой о здоровье сына. Спасение цесаревича всеми возможными средствами и способами – это стало смыслом ее жизни. Наследственная болезнь цесаревича сразу стала государственной тайной, в которую не посвящали даже близких Царской семье людей. За состоянием здоровья цесаревича следил целый штаб докторов: лейб-медик Е.С. Боткин, почетный лейб-медик С.А. Острогорский, почетный лейб-хирург В.Н. Деревенко, почетный лейб-хирург С.П. Федоров. При необходимости к этим докторам присоединялись любые известные врачи, которых немедленно вызывали в Царское Село.
Цесаревич рос живым и веселым ребенком, любил пошалить. Но малейшая травма, небольшой удар становились для него опасными. Начиналось внутреннее кровотечение, которое долго не удавалось остановить. Каждый раз гематомы вызывали острые боли, сутками мучившие несчастного мальчика. Цесаревичу приходилось неделями оставаться в постели, во время приступов он практически ничего не мог есть, очень слабел и худел. Главной задачей для всех членов Царской семьи стала попытка защитить живого, непоседливого мальчишку от травм, что было практически невозможно. Няни, сестры, позже матросы с яхты «Штандарт», дядька А.Е. Деревенько и его помощник К.Г. Нагорный, постоянно везде сопровождали цесаревича, всячески оберегая его и защищая. А.А. Вырубова писала: «Он был прелестный, ласковый мальчик, самый красивый из всех детей. Родители и няня Мария Вишнякова в раннем детстве его очень баловали, исполняя малейшие капризы. И это понятно, так как видеть постоянные страдания маленького было очень тяжело; ударится ли он головкой или рукой о мебель, сейчас же появлялась огромная синяя опухоль, показывающая на внутреннее кровоизлияние, причинявшее ему тяжкие страдания».
Главным телохранителем и нянькой в одном лице с августа 1906 года стал у Алексея Николаевича матрос Андрей Еремеевич Деревенько, по происхождению крестьянин из Малороссии. Впервые его сделали дядькой цесаревича во время путешествия Царской семьи на яхте «Штандарт» по финским шхерам. Матрос оказался заботливым и расторопным, и уже с октября 1906 года его официально назначили на должность дядьки наследника. У самого Деревенько к этому времени было два собственных маленьких сына, которые со временем стали для цесаревича приятелями в его играх. Позже наставник цесаревича Пьер Жильяр писал, что для Алексея Николаевича самой большой радостью была возможность поиграть с сыновьями его дядьки. Из-за болезни цесаревича оберегали от лишних контактов со сверстниками, и он, подрастая, очень страдал от отсутствия друзей и приятелей. Взрослые и сестры не могли ему заменить общение с мальчишками-сверстниками. Когда наследник повзрослел, у него появился друг, его ровесник Коля – сын доктора В.Н. Деревенко, которого иногда приводили во дворец поиграть с цесаревичем.
Близкие отношения складывались у Алексея Николаевича с сестрами, которых он очень любил. Особенно нежно к нему относилась старшая сестра Ольга Николаевна. Так как она была его крестной, цесаревич совершенно серьезно называл себя – «Ольгин сын». И если его наказывали за шалости мать или отец, то он, обижаясь, собирал игрушки и «уходил жить» в комнату к старшей сестре. Настоящим другом и партнером во всех проказах для цесаревича всегда оставалась озорная младшая из сестер Анастасия Николаевна. Именно с ней вдвоем они носились по дворцу, придумывали всякие проделки, переворачивая все вокруг.
Матери, сестрам и вообще всем взрослым Алексей Николаевич подчинялся с неохотой. Единственный, кого цесаревич безоговорочно слушался, был его отец-император. Конечно, Государь горячо любил сына и страдал не меньше Государыни во время приступов его болезни, но все же старался воспитывать мальчика в строгости. Есть воспоминания приближенных, что император мог сорванца и отшлепать.