Nikolai Aleksandrovich Romanov là con của Nga hoàng Aleksandr III và hoàng hậu Maria Feodorovna của Nga, tức công chúa Dagmar của Đan Mạch. Ông bà nội của ông là Nga hoàng Aleksandr II và hoàng hậu Maria Alexandrovna của Nga, tức là Công chúa Marie xứ Hesse. Ông bà ngoại của ông là vua Christian IX của Đan Mạch và Công chúa Louise xứ Hesse-Kassel. Năm 1881, ông được phong làm Tsaverich, tức Hoàng thái tử.

Những bức thư của Nikolai II sau khi vua Aleksandr III mất năm 1894 cho thấy ông vẫn lưu luyến vua cha. Thuở bé, ông thường ghen tỵ với sức khỏe của Aleksandr III, chẳng hạn như khi vua cha nâng được một tảng đá nặng 60 pao bằng một tay. Ông và người mẹ Maria Feodorovna rất yêu thương nhau, thường viết thư gửi cho nhau.[4] Nikolai II có ba người em trai (Aleksander [1869-1870], Georgi [1871-1899], Mikhail [1878-1918]) và hai người em gái.

Do người em con chú của Aleksandr III, Đại Công tước Nikolai Nikolayevich, cũng có tên là Nikolai, vị Đại Công tước này được Hoàng gia gọi là "Nicholasha" để tránh nhầm lẫn với Nga hoàng tương lai. Thông qua mẹ ông, Nikolai II là cháu của một số vua chúa, trong số đó có George I của Hy Lạp, Frederick VIII của Đan Mạch, Hoàng hậu Alexandra của Anh và Vương phi Thyra xứ Hanover.

Nga hoàng Nikolai II, cùng với Hoàng đế Đức Wilhelm II, vua Anh George V đều là cháu của nữ hoàng Anh Victoria. Nikolai II, Hoàng hậu Nga Alexandra và Hoàng đế Đức Wilhelm II đều là anh em họ của vua Anh George V. Mẹ của Nikolai, Hoàng hậu Marie (Công chúa Dagmar của Đan Mạch), là chị của vợ vua Edward VII là Hoàng hậu Alexandra - mẹ của George V. Vợ Nikolai II là con gái của Công chúa Alice - con gái của nữ hoàng Anh Nữ hoàng Victoria, vì vậy bà cháu gọi vua Edward VII bằng bác (bên họ mẹ) và là em họ của Hoàng đế Wilhelm II; và cùng là hậu duệ trực tiếp của Nữ hoàng Victoria. Wilhelm II là con của Hoàng đế Đức Friedrich III và công chúa Vicky - con gái cả của nữ hoàng Victoria. Wilhelm II - anh họ của Hoàng hậu Nga Alexandra - và Nikolai II đều là con cháu của vua nước Phổ Friedrich Wilhelm III.