Pavel I được sinh ra tại lâu đài của nữ hoàng Elizaveta tại kinh đô Sankt-Peterburg. Ông là con trai của Đại vương công Nga Pyotr Fyodorovich (cháu gọi Elizaveta bằng dì và cũng là người thừa kế ngai vàng của bà, về sau trở thành Hoàng đế Pyotr III) với Đại Công nương Ekaterina Alexeyevna (về sau trở thành nữ hoàng Ekaterina II). Trong hồi ký của mình, nữ hoàng Ekaterina II lại cho rằng Pavel không phải là con trai của bà với Pyotr III, mà là với người tình Sergei Saltykov. Những người ủng hộ Ekaterina II cho rằng Pyotr III là một người vô sinh, thậm chí ông ta không thể quan hệ tình dục với Ekaterina cho đến khi thực hiện một cuộc phẫu thuật chữa trị căn bệnh này. Mặc dù câu chuyện này phần nhiều được cái đối thủ chính trị của Pavel ủng hộ, nhằm mục đích tạo sự nghi ngờ về nguồn gốc kế vị chính thống của Pavel. Thật ra dung mạo của Pavel rất giống Pyotr III, vì vậy nhiều người vẫn tin rằng Pavel chính là con ruột của Pyotr.

Ngay từ lúc còn nằm nôi, Pavel đã bị tước đoạt khỏi tay mẹ mình bởi nữ hoàng Elizaveta - người đã vô tình làm hại đến sức khỏe của cậu bằng một lòng thương không đúng chỗ. Có những thông tin cho rằng Pavel là một đứa trẻ xấu xí từ lúc còn nhỏ[3], tuy nhiên cũng có những báo cáo cho rằng lúc nhỏ cậu rất đẹp trai và khỏe mạnh. Khuôn mặt xấu xí của Pavel những năm sau đó là hậu quả của một trận sốt Rickettsia vào năm 1771. Đồng thời cũng có những thông tin (ví dụ như ý kiến của John Hobart, Đại sứ Anh đề xuất vào năm 1764) cho rằng mẹ của Pavel, nữ hoàng Ekaterina II rất ghét cậu và bà đã cố gắng lắm để không giết cậu ngay từ lúc còn nhỏ, với nỗi sợ rằng Pavel sẽ ám hại mình để cướp ngôi. Tuy nhiên, những ý kiến khác lại cho rằng bản thân Ekaterina rất yêu thương trẻ con vì vậy bà hẳn phải đối xử tốt với con trai Pavel của mình. Thực chất Pavel đã được giao cho Nikita Ivanovich Panin - một cận thần tin cậy của Ekaterina - cùng với nhiều gia sư tài giỏi chăm sóc và dạy dỗ.

Tuy nhiên Ekaterina đã gặp nhiều rắc rối khi mai mối Paven với Wilhelmina Louisa (sau đó nhận cái tên Nga là "Natatlia Alexeyevna"), con gái của lãnh chúa xứ Hess-Datmstadt Ludwig IX vào năm in 1773, và cho phép Paven tham gia triều chính để Paven quen với công việc triều đình. Poroshin - gia sư của Pavel - thường xuyên phàn nàn rằng Pavel luôn tỏ ra vội vã và ăn nói, hành động thiếu suy nghĩ.