Năm 13 tháng 3 năm 1881, ông trở thành Hoàng thái tử (Tsarevich) còn cha ông thì trở thành Nga hoàng Aleksandr III, sau khi ông nội Nikolai là Nga hoàng Aleksandr II bị tổ chức "Dân ý" ám sát. Ông và nhiều hoàng thân khác đã chứng kiến được sự kiện này khi đang ở Cung điện Mùa Đông tại kinh thành Sankt-Peterburg.[5] Vì lý do an toàn, Nga hoàng Aleksandr III và Hoàng gia thường sống ở Cung điện Gatchina phía ngoài Sankt-Peterburg, chứ không phải là Cung điện Mùa Đông.

Một cuộc hành trình với những mục đích mang tính giáo dục là một phần quan trọng của việc dạy cho các hoàng thân Nga làm quen với hoạt động nhà nước. Năm 1890, Nga hoàng Aleksandr III tuyên bố thiết lập tuyến đường sắt xuyên Xibia. Thái tử Nikolai đã tham gia lễ khai mạc tuyến đường sắt trên Xibia, và từ nơi này, nhà vua hạ lệnh cho ông thực hiện chuyến hành trình khắp thế giới - mà người ta gọi là "Cuộc hành trình về phía Đông của Nikolai II". Năm đó ông đã 22 tuổi, mới hoàn thành khóa học tại Học viện sĩ quan cận vệ đã, và cũng đã hoàn tất chương trình đào tạo nhân văn của Đại học tổng hợp quốc gia. Bấy giờ, nước Nga đã làm chủ của một đội Hải quân hùng hậu. Vì thế, với chuyến du hành này Nikolai học được về công việc ngoại giao cũng như với sóng nước trên biển. Ông cùng đoàn tàu đã hành trình dọc bờ Đại Tây Dương qua Địa Trung Hải và Ấn Độ, tới nhiều hải cảng có tên tuổi ở Hy Lạp, Ấn Độ, Xiêm La,… Công tước Esper Ukhtomsky - người được Thái tử rất tin cậy - là người tư vấn cho Thái tử thực hiện chuyến Đông du trong những năm 1890 - 1891. Đến ngày 28 tháng 3 năm 1891 Thái tử nước Nga đến cửa sông Đồng Nai, sau đó cập bến cảng Sài Gòn. Ngay trên bến cảng, Toàn quyền Đông Dương khi đó là Jules Georges Piquet cùng quan quân triều Nguyễn và Pháp đã tổ chức đón tiếp. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử một chính khách người Nga đến thăm Việt Nam - bấy giờ còn nằm dưới ách đô hộ của đế quốc Pháp. Đến Nhật Bản, ông bị một người Nhật mưu sát hụt tại Otsu.