Венчание состоялось в три часа дня в Большом Царскосельском дворце. Император был в голубом мундире гвардейского гусара, а Долгорукая – в скромном платье из бежевого сукна и с непокрытой головой. Обряд проходил в маленьком зале без мебели, посреди которого был устроен алтарь. В роли шаферов, державших над головой новобрачных венцы, выступили генерал Рылеев и генерал-адъютант Эдуард Трофимович Баранов. Присутствовал на венчании и Адлерберг. Император выполнил свое обещание жениться, данное возлюбленной четырнадцать лет назад.
По окончании обряда Александр II и Екатерина Михайловна не обменялись ни словом, ни поцелуем. Молча они вышли из дворца и вместе с сыном Георгием отправились на прогулку в коляске.
Во время прогулки император ласково беседовал с женой и сыном, но в его речи проскользнула странная в той ситуации фраза: «Я боюсь своего счастья, я боюсь, что меня Бог слишком скоро лишит его». А маленького сына он попросил обещать, что тот никогда не забудет своего отца.
Вечером того же дня Александр II подписал акт о заключении своего второго брака с фрейлиной княгиней Екатериной Михайловной Долгорукой. Акт засвидетельствовали Адлерберг, Баранов, Рылеев и священник Никольский.
Одновременно император подписал тайный указ следующего содержания: «Вторично вступив в законный брак с княгиней Екатериной Михайловной Долгорукой, мы приказываем присвоить ей имя княгини Юрьевской, с титулом „светлейшей“. Мы приказываем присвоить то же имя с тем же титулом нашим детям: сыну Георгию, дочерям Ольге и Екатерине, так же как и тем, которые могут родиться впоследствии. Мы жалуем их всеми правами, принадлежащими законным детям, согласно пункту 14 Основных Законов империи и пункту 147 учреждения императорской фамилии (по нему дети, рожденные от одного из членов императорской фамилии и особы, не принадлежащей ни к одному из владетельных родов Европы, не могут наследовать российский царский престол.
Александр II и Екатерина Юрьевская стали законными мужем и женой, но их дети, пользуясь всеми правами членов царской семьи, ни при каких обстоятельствах не могли наследовать престол. Документы о заключении брака засекретили, за сохранение их в тайне отвечал министр внутренних дел генерал-адъютант граф М. Т. Лорис-Меликов. За верность он получил от императора орден Андрея Первозванного. Но вскоре уже весь петербургский свет и высшие слои населения империи знали о повторной женитьбе Александра II.
Император позаботился и о том, чтобы обеспечить свою новую семью материально: 5 сентября 1880 г. он положил в Государственный банк ценные бумаги на сумму три миллиона триста две тысячи девятьсот семьдесят рублей, право распоряжаться которыми получила Екатерина Михайловна Юрьевская. Эта сумма должна была позволить ей и ее детям жить безбедно даже после смерти венценосного супруга.
Осенью того же года Александр II отдыхал в Ливадии вместе с сыном-цесаревичем Александром Александровичем. Во время длительных бесед с отцом наследник престола пообещал быть защитой и опорой княгине Юрьевской и ее детям, что бы ни случилось с императором. После этого разговора царь написал своему старшему сыну теплое письмо: «Дорогой Саша. В случае моей смерти поручаю тебе мою жену и детей. Твое дружественное расположение к ним, проявлявшееся с первого же дня твоего с ними знакомства и бывшее для нас подлинной радостью, убеждает меня в том, что ты их не покинешь и будешь им защитником и добрым советчиком. При жизни моей жены наши дети должны остаться лишь под ее опекой, если же Бог призовет ее к себе до их совершеннолетия, я желаю, чтобы их опекуном стал генерал Рылеев и еще одно лицо по его выбору и с твоего согласия. Моя жена ничего не унаследовала от своей семьи. Все имущество, принадлежащее ей в настоящее время, движимое и недвижимое, – приобретено ею лично, и родственники ее не имеют на это имущество никаких прав. Моя жена может распоряжаться им по собственному усмотрению. Из предосторожности она передала мне все свое состояние, и мы условились, что, если я переживу ее, оно будет поровну распределено между нашими детьми и передано им мною после их совершеннолетия или замужества наших дочерей. Пока наш брак не будет признан официально, капитал, который я поместил в Государственном банке, принадлежит моей жене согласно свидетельству, которое я ей выдал. Вот мои последние желания, которые, я уверен, ты добросовестно исполнишь. Да благословит тебя Бог за это. Не забывай меня и молись за душу того, кто тебя так нежно любил! Па».