Mikołaj wykazywał duże chęci do nauki i chętnie czytał, chociaż zdaniem prywatnych nauczycieli większe zdolności wykazywał jedynie w dziedzinie historii i języków obcych, miał natomiast niechętnie odnosić się do faktu bycia najstarszym synem carewicza Aleksandra, a więc potencjalnym następcą tronu, gdy ojciec obejmie tron.
W 1881 Aleksander II zginął w zamachu i Mikołaj został następcą tronu Imperium Rosyjskiego. Program jego prywatnego kształcenia został rozszerzony o matematykę, ekonomię polityczną, historię, literaturę, geografię, podstawy prawa, teoretyczną wiedzę o wojskowości, a od 1887 także ćwiczenia wojskowe. Dotychczasowi nauczyciele Mikołaja zostali zastąpieni przez starannie wybranych specjalistów w tych dziedzinach: historyka Wasilija Kluczewskiego, ministra finansów Nikołaja Bunge i profesora prawa Michaiła Kapustina, zaś głównym wychowawcą carewicza został Konstantin Pobiedonoscew. W 1890 jego edukację uznano za zakończoną; pod względem wszechstronności dyscyplin, w jakich carewicz poszerzał wiedzę, był najstaranniej wykształconym z carów rosyjskich.