Когда Николаю Александровичу исполнилось шестнадцать лет, в Большой церкви Зимнего дворца он принял присягу по случаю вступления в действительную военную службу. Он все еще, как и четыре года назад, был поручиком, но парадокс заключался в том, что по традиции цесаревич был атаманом всех казачьих войск, а во главе каждого из них непременно стоял генерал, и таким образом все они, хотя и номинально, подчинялись шестнадцатилетнему поручику. Из-за своего атаманства Николай принимал присягу под знаменем лейб-гвардии Атаманского полка, в котором служили представители всех одиннадцати существовавших тогда казачьих войск — от Кубанского до Уссурийского.
Неофициально считалось, что в день принятия присяги для присягающего наступало совершеннолетие, и, таким образом, цесаревич ощущал себя взрослым человеком.
В семнадцать лет он закончил среднее образование и перешел к изучению серии дисциплин, предусмотренных программами академии Генерального штаба и двух факультетов университета — юридического и экономического. Высшее образование заняло у цесаревича еще пять лет. Руководителем всего учебного процесса был Победоносцев, читавший к тому же курсы законоведения, государственного, гражданского и уголовного права. Протоиерей И. Л. Янышев читал цикл лекций по истории религии, богословию и каноническому праву. Член-корреспондент Академии наук Замысловский, видный специалист по истории России и истории международных отношений, читал курс политической истории. Академик Николай Христофорович Бунте, министр финансов, будущий глава Совета Министров, преподавал политэкономию и статистику. Академик Бекетов, создатель физической химии как самостоятельной науки, преподавал химию.
Николай продолжал совершенствоваться в языках, сделав особые успехи в английском. Вторую половину всего обучения занимали военные науки. Курс стратегии и военной истории читал главный редактор «Энциклопедии военных и морских наук», начальник Академии Генерального штаба, член-корреспондент Академии наук, генерал от инфантерии Г. А. Леер. Фортификацию вел инженер-генерал Цезарь Кюи, автор четырнадцати опер и почти двухсот пятидесяти романсов. Среди преподавателей военных наук были выдающиеся генералы — Драгомиров, Обручев, Пузыревский, Гудима-Левкович, Демьяненко и другие. Для изучения пехотной службы цесаревич провел два лагерных сбора в Преображенском полку, где командиром был его дядя — Великий князь Сергей Александрович. Первый год Николай исполнял обязанности взводного, а на второй год — ротного командира. Следующие два летних лагерных сбора провел он в лейб-гвардии Гусарском полку, приобщаясь к кавалерийской службе так же, как и перед тем — сначала младшим офицером, а потом командиром эскадрона.
