Великий князь Александр Александрович был в императорской семье Романовых вторым сыном и предназначался к военной службе. Наследовать престол готовился его старший брат Николай, который и получил соответствующее воспитание. Александр в день своего 7-летия был пожалован первым офицерским чином, а в 17-летнем возрасте зачислен в Свиту со званием флигель-адъютанта. Главным воспитателем Александра был граф Борис Перовский; образованием заведовал профессор Московского университета экономист Александр Чивилев.
Первоначально Александр II намеревался женить наследника престола на имевшей репутацию красавицы датской принцессе Александре; но эти планы были расстроены усилиями британской королевы Виктории, которая поспешила женить на ней своего сына Альберта (впоследствии король Эдуард VII).
Весной 1864 года брат Александра — Николай Александрович — отправился за границу и, находясь в Дании, сделал предложение датской принцессе Дагмаре; 20 сентября совершилась официальная помолвка. Перед свадьбой Николай отправился в путешествие по Италии, где почувствовал недомогание: после ушиба у него начались сильные боли в спине, от которых он вскоре слёг и скончался в апреле 1865 года. Когда состояние здоровья старшего брата стало угрожающим, Александр поспешил к нему в Ниццу; по пути к нему присоединилась принцесса Дагмара с матерью. Они застали наследника престола уже при смерти; последний скончался в ночь на 12 (24) апреля 1865 от туберкулёзного воспаления спинного мозга. Александр, любивший брата «больше всего на свете»[20], был провозглашён цесаревичем — наследником престола.
Наследник прошёл дополнительный курс наук, необходимых для управления государством. В 1865 и 1866 годах ему был прочитан курс русской истории Сергеем Соловьёвым. Его учителем права в 1866 году стал Константин Победоносцев, который остался его наставником и советчиком и по окончании курса лекций[21]; а в царствование Александра, на посту обер-прокурора Святейшего Синода, приобрёл наибольшее влияние на государственные дела.
Подготовка наследника по земским делам была поручена, по рекомендации князя Мещерского, Николаю Александровичу Качалову, который сопровождал наследника в его путешествии по России[22].
В 1865 году был произведён в генерал-майоры с назначением в Свиту Его Величества. Летом 1866 года цесаревич поехал путешествовать по Европе и, между прочим, собирался заехать в Копенгаген к невесте покойного брата, которая приглянулась ему при первой встрече. По дороге он писал отцу: «Я чувствую, что могу и даже очень полюбить милую Минни (так в семье Романовых звали Дагмару), тем более что она так нам дорога. Даст Бог, чтобы все устроилось, как я желаю. Решительно не знаю, что скажет на все это милая Минни; я не знаю ее чувства ко мне, и это меня очень мучает. Я уверен, что мы можем быть так счастливы вместе. Я усердно молюсь Богу, чтобы Он благословил меня и устроил мое счастье». 17 (29) июня 1866 года состоялась их помолвка в Копенгагене, а через три месяца наречённая невеста прибыла в Кронштадт; 13 (25) октября состоялся обряд обручения, миропомазания и наречения новым именем — великой княгиней Марией Фёдоровной.
Браковенчание было совершено в Большой церкви Зимнего дворца 28 октября (9 ноября) 1866 года; после чего супруги жили в Аничковом дворце, где провели несколько недель даже после восшествия Александра на престол (с 27 апреля (9 мая) 1881 года — в Гатчине).