Николай был третьим сыном императора Павла I и императрицы Марии Фёдоровны. Он родился 25 июня 1796 года — за несколько месяцев до вступления Великого князя Павла Петровича на престол. Таким образом он был последним из внуков Екатерины II, родившихся при её жизни.
О рождении великого князя Николая Павловича было объявлено в Царском Селе пушечною пальбою и колокольным звоном, а в Санкт-Петербург послано известие с нарочным.
На рождение великого князя писались оды, автором одной из них стал Г. Р. Державин. До него в императорском доме Романовых, Гольштейн-Готторп-Романовской династии именем Николай детей не нарекали. Тезоименитство — 6 декабря по юлианскому календарю (Николая Чудотворца).
По установленному при императрице Екатерине порядку Великий князь Николай с самого рождения поступил на попечение царственной бабки, но последовавшая вскоре кончина императрицы пресекла влияние её на ход воспитания Великого князя. Его няней была шотландка Лайон. Она была в течение первых семи лет единственной руководительницей Николая. Мальчик со всей силой души привязался к своей первой воспитательнице, и нельзя не согласиться с тем, что в период нежного детства «геройский, рыцарски благородный, сильный и открытый характер няни Лайон» положил отпечаток и на характер её воспитанника.
С ноября 1800 года воспитателем Николая и Михаила стал генерал М. И. Ламздорф. Выбор генерала Ламздорфа на должность воспитателя Великого князя был сделан императором Павлом. Павел I указал: «только не делайте из моих сыновей таких повес, как немецкие принцы» (нем. Solche Schlingel wie die deutschen Prinzen). В высочайшем приказе от 23 ноября 1800 года объявлено было: «Генерал-лейтенант Ламздорф назначен быть при его императорском высочестве великом князе Николае Павловиче». Генерал пребывал при своём воспитаннике 17 лет. Очевидно, что Ламздорф вполне удовлетворял педагогическим требованиям Марии Федоровны. Так в напутственном письме 1814 года Мария Федоровна называла генерала Ламздорфа «вторым отцом» великих князей Николая и Михаила.
Смерть отца, Павла I, в марте 1801 года не могла не запечатлеться в памяти четырёхлетнего Николая. Впоследствии он описал произошедшее в своих воспоминаниях: