Мать мальчика, названного при рождении Карл-Петер-Ульрих, умерла вскоре после его появления на свет, а в 11 лет он потерял и отца. Его воспитатели О. Ф. Брюммер и Ф. В. Берхгольц не отличались высокими нравственным качествами, не раз жестоко наказывали ребенка и мало заботились о его образовании: к 13 годам он лишь немного владел французским языком. Петр рос нервным, впечатлительным, любил музыку и живопись и одновременно обожал все военное. Именно с воинскими утехами были связаны все его честолюбивые мечты. По характеру он был скорее добродушным, чем злым. По некоторым сведениям, уже в детстве он пристрастился к вину.
В 1742 Петр был привезен в Россию и своей теткой императрицей Елизаветой Петровной провозглашен наследником престола. Его крестили по православному обычаю под именем Петра Федоровича, а в 1745 женили на принцессе Анхальт-Цербстской, будущей императрице Екатерине II. Его воспитателем и учителем стал академик Я. Штелин, который считал своего ученика достаточно способным, но ленивым, одновременно отмечая в нем такие черты, как малодушие, жестокость по отношению к животным, склонность к хвастовству.
Отношения Петра с женой не сложились с самого начала: она была интеллектуально более развита, а он, наоборот, инфантилен. Его ум по-прежнему занимали детские игры, воинские экзерциции, и он совсем не интересовался женщинами. Считается, что до начала 1750-х гг. между мужем и женой не было супружеских отношений, но затем Петру была сделана некая операция, после которой в 1754 Екатерина родила ему сына Павла (будущий император Павел I). Однако Петр все больше отдалялся от жены; его фавориткой стала Е. Р. Воронцова (сестра Е. Р. Дашковой). В это же время ему было разрешено выписать полк голштинских солдат, и все свободное время он проводил, занимаясь с ними военными упражнениями и маневрами. Другим его увлечением была игра на скрипке.
За годы, проведенные в России, Петр никогда не делал попыток лучше узнать эту страну, ее народ и историю, он презирал многие русские обычаи, вел себя неподобающим образом во время церковной службы, не соблюдал посты и другие обряды. Елизавета Петровна не допускала его к участию в решении политических вопросов и единственная должность, на которой он хоть как-то мог себя проявить, была должность директора Шляхетского корпуса. Между тем Петр открыто критиковал деятельность правительства, а во время Семилетней войны публично высказывал симпатии к прусскому королю Фридриху II. Обо всем этом было широко известно не только при дворе, но и в более широких слоях русского общества, где Петр не пользовался ни авторитетом, ни популярностью.