Когда Екатерине Алексеевне было 23 года и она уже семь лет прожила в бесплодном замужестве, в ее окружении появился молодой красавчик граф Сергей Салтыков. Заметив, что великая княгиня к нему неравнодушна, императрица Елизавета и канцлер Бестужев стали всячески содействовать сближению пары. Сначала Екатерина не хотела изменять мужу, опасаясь возможных последствий, но ей быстро объяснили, что возможная беременность будет на пользу всей семье, и она уступила своим желаниям. Вскоре Салтыков стал ее любовником.
Любопытно, что любовное приключение великой княгини наконец-то заставило и ее собственного мужа обратить на нее внимание. Он вспомнил, что имеет на нее права и должен выполнять свой супружеский долг. Похоже, в это время его уже мало смущало то обстоятельство, что он должен делить жену с другим мужчиной, хотя слухи о ее измене, несомненно, доходили и до его ушей.
Плодом отношений этого треугольника стало рождение великого князя Павла Петровича (1754–1801), будущего императора Павла I. Кто был его настоящим отцом — тайна семьи Романовых. В одном месте своих мемуаров Екатерина намекала, что Павел родился от Салтыкова, но из другой части ее воспоминаний видно, что наследник мог появиться на свет и от Петра Федоровича. Возможно, Екатерина Алексеевна и сама не знала, чьим сыном следует считать ее ребенка, поэтому и не стала уточнять это обстоятельство. Но, похоже, что и тогда, и потом происхождение Павла Петровича никого, кроме него самого, в семье Романовых не задевало. Последующие императоры интересовались этим скорее из любопытства и желания точнее определить собственную национальную принадлежность. Известный современный исследователь А. Б. Каменский отмечает: когда Александр III узнал от историка Я. Л. Барскова, что Екатерина намекала на отцовство Салтыкова, то очень обрадовался тому, что в нем, прямом потомке Павла I, больше русской крови, чем он полагал ранее.
Императрица Елизавета была довольна рождением «внука» и взяла его под свое крыло. Мальчика унесли в покои императрицы. Там он был окружен чрезмерными заботами. Комнату всегда жарко топили. Младенец, завернутый во фланелевые пеленки, лежал в кроватке, обитой изнутри мехом черно-бурых лисиц. Его укрывали двумя одеялами: атласным на вате и бархатным на лисьем меху. Малыш страшно потел от такого варварского воспитания, а позже, уже будучи взрослым, часто простужался от малейшего ветерка. Бабушка вскакивала и кидалась к нему при каждом писке.
