Император Николай I воспитывал его наравне с другими сыновьями, серьезно приобщая к военной службе с самого раннего возраста.
Уже в 8 лет великий князь стал кадетом 1-го кадетского корпуса. Но кроме общего кадетского образования он получал и глубокое домашнее. С ним было поручено заниматься специально назначенному педагогу генералу от артиллерии Алексею Илларионовичу Философову (1800–1874).
Несмотря на то что император-отец предназначал для него карьеру сухопутного офицера, заботился и о разностороннем образовании, а потому в 1843 году направил его вместе с двумя другими своими сыновьями, Константином и Михаилом, пройти двухлетнюю практику на люгере «Ораниенбаум» в Финском заливе.
Когда пришла пора встать в армейский строй в качестве офицера, был назначен в лейб-гвардии Конный полк. В 1854 году император направил его вместе с великим князем Михаилом Николаевичем в действующую на Крымском театре военных действий армию, и ему довелось принять участие в Инкерманском сражении. За личную храбрость в сражении он был награжден орденом Святого Георгия 4-й степени, а начиная с января 1855 года возглавил инженерные работы по укреплению Северной стороны Севастополя на рубеже от Константиновской батареи до Мекензиевых гор. Мало кому известно, что именно император Николай I составил план всех укреплений Севастополя и составил, как показали боевые действия, на высочайшем уровне. Врагу так и не удалось их взять. Южная (Корабельная) сторона города была оставлена после того, как орудийный огонь врага превратил ее в пустыню. Ну а штурмы — все до одного — были успешно отбиты. Так что заявления о том, что англичане, французы и турки взяли Севастополь, сильно преувеличены. Южная сторона оставлена по решению командования, Северную врагу взять не удалось.
После окончания Восточной войны 1853–1856 годов великий князь Николай Николаевич купил себе в Крыму поместье Гаспра и в последующем часто бывал на полуострове, в полюбившихся ему местах.
В послевоенные годы он командовал дивизией гвардейской кавалерии, Гвардейским резервным кавалерийским корпусом, Отдельным Гвардейским корпусом, а 30 августа 1867 года получил назначение главнокомандующего войсками Гвардии и Петербургского военного округа.
Апогей его военной службы пришелся на Русско-турецкую войну 1877–1878 годов, в период которой он являлся главнокомандующим действующей армией на Балканах.
Во время этой войны великий князь Николай Николаевич оказался в весьма сложном и затруднительном положении. Ведь война велась Россией за свободу и независимость славянских народов, которые тогда руководство России полагало братскими.
В страшном сне не могло присниться, что пройдут годы и Болгария, за которую пролито столько русской крови, станет членом агрессивного варварского блока НАТО, направленного исключительно против России и мечтающего о ее уничтожении.
Русское правительство выступило за организацию коллективной защиты славян, но Англия, патологически ненавидевшая славянство, сделала все, чтобы сорвать этот план. Ну а Англию поддержали все те, кто смотрел ей в рот, особенно Османская империя, которая была в ту пору цепной английской собакой.
То есть, выступая за свободу и независимость славян, Россия входила в конфликт со всеми славянофобами, а к тому же и сами защищаемые славяне уже в ту пору рабски поглядывали на Запад.
12 апреля 1877 года русское правительство объявило Турции войну, и великий князь Николай Николаевич возглавил Дунайскую армию численностью в 185 тысяч человек. На стороне России выступили Румыния, Сербия, Черногория и семи с половиной тысячное ополчение порабощенной турками Болгарии.
И вот тут надо коснуться одного важного и острого момента этой войны. Дело в том, что была у России и еще одна священная задача. О ней напомнил императору в своем письме уже после заключения Сан-Стефанского мирного договора главнокомандующий Дунайской армией великий князь Николай Николаевич:
«Я помню, когда ты мне в Ливадии объявил Твою волю назначить меня Главнокомандующим, и я спросил Тебя, какая цель войны, ты ответил одним словом — Константинополь, и вот я у врат Царьграда».