Ставшая в 1741 году императрицей, Елизавета Петровна хотела закрепить трон по линии своего отца и, будучи бездетной, в 1742 году во время торжеств по случаю коронации объявила наследником российского престола своего племянника (сына старшей сестры). Карл Петер Ульрих был привезён в Россию; он перешёл в православие под именем Петра Фёдоровича, а в 1745 году его женили на принцессе Екатерине Алексеевне (урождённой Софии Фредерике Августе) Ангальт-Цербстской, будущей императрице Екатерине II. В его официальный титул были включены слова «Внук Петра Великого»; когда в академическом календаре эти слова были пропущены, генерал-прокурор Никита Юрьевич Трубецкой счёл это «важным упущением, за которое могла академия великому ответу подлежать».

При первой встрече Елизавета была поражена невежеством своего племянника и огорчена внешним видом: худой, болезненный, с нездоровым цветом лица. Его воспитателем и учителем стал академик Якоб Штелин, который считал своего ученика достаточно способным, но ленивым, одновременно отмечая в нём такие черты, как малодушие, жестокость по отношению к животным, склонность к хвастовству. Обучение наследника в России длилось всего три года — после свадьбы Петра и Екатерины Штелин от своих обязанностей был отставлен (однако навсегда сохранил расположение и доверие Петра). Ни за время обучения, ни впоследствии, Пётр Фёдорович так и не научился толком говорить и писать по-русски.^{[L 2]} Наставником Великого князя в православии был Симон Тодорский, ставший законоучителем также и для Екатерины.

Свадьба наследника была сыграна с особым размахом — так, что перед десятидневными торжествами «меркли все сказки Востока».^{[L 1]} Петру и Екатерине были пожалованы во владение Ораниенбаум под Петербургом и Люберцы под Москвой.

Отношения Петра с женой не сложились с самого начала: она была интеллектуально более развита, а он, наоборот, инфантилен. Екатерина в своих мемуарах отмечала:

Он [Пётр] накупил себе немецких книг, но каких книг? часть их состояла из лютеранских молитвенников, а другая — из историй и процессов каких-то разбойников с большой дороги, которых вешали и колесовали.

(Там же Екатерина не без гордости упоминает, что прочла «Историю Германии» в восьми крупных томах за четыре месяца. В другом месте своих мемуаров Екатерина пишет об увлечённом чтении госпожи де Севинье и Вольтера. Все воспоминания примерно одного времени.)

Ум Великого князя по-прежнему занимали детские игры, воинские экзерциции и он совсем не интересовался женщинами. Считается, что до начала 1750-х годов между мужем и женой не было супружеских отношений, но затем Петру была сделана некая операция (предположительно — обрезание для устранения фимоза^{[L 6]}), после которой в 1754 году Екатерина родила ему сына Павла (будущий император Павел I). Однако о несостоятельности этой версии свидетельствует письмо Великого князя к супруге, датированное декабрем 1746 года:

Мадам, Прошу вас этой ночью отнюдь не утруждать себя, чтобы спать со мною, поелику поздно уже обманывать меня, постель стала слишком узка, после двухнедельной разлуки с вами, сего дня по полудни ваш несчастный муж, коего вы так и не удостоили сего имени Петр.

Наследник-младенец, будущий российский император Павел I, был сразу же после рождения отнят от родителей, его воспитанием занялась сама императрица Елизавета Петровна. Впрочем, Пётр Фёдорович никогда не интересовался сыном и был вполне удовлетворён разрешением императрицы видеться с Павлом один раз в неделю.Пётр всё больше отдалялся от жены; его фавориткой стала Елизавета Воронцова (сестра Е. Р. Дашковой). Тем не менее Екатерина отмечала, что Великий князь почему-то всегда питал к ней невольное доверие,тем более странное, что она не стремилась к душевной близости с мужем. В затруднительных ситуациях, финансовых или хозяйственных, он нередко обращался за помощью к супруге, называя её иронически «Madame la Ressource» («Госпожа Подмога»).

Пётр никогда не скрывал от жены своих увлечений другими женщинами; Екатерина чувствовала себя униженной таким положением дел. В 1756 году у неё случился роман со Станиславом Августом Понятовским, в то время польским посланником при российском дворе. Для Великого князя увлечение жены тоже не стало секретом. Имеются сведения, что Пётр с Екатериной не однажды устраивали ужины вместе с Понятовским и Елизаветой Воронцовой; они проходили в покоях Великой княгини. После, удаляясь с фавориткой на свою половину, Пётр шутил: «Ну, дети, теперь мы вам больше не нужны».^{[L 8]} «Обе пары между собой жили в весьма добрых отношениях».^{[L 9]} У великокняжеской четы в 1757 году родился ещё один ребёнок — Анна (умерла от оспы в 1759 году). Отцовство Петра историки ставят под большое сомнение, называя наиболее вероятным отцом С. А. Понятовского. Однако Пётр официально признал ребёнка своим.

В начале 1750-х годов Петру было разрешено выписать небольшой отряд голштинских солдат (к 1758 году их число — около полутора тысяч), и всё свободное время он проводил, занимаясь с ними военными упражнениями и манёврами. Эти голштинские солдаты некоторое время спустя (к 1759-1760 гг) составили гарнизон потешной крепости Петерштадт, построенной в резиденции Великого князя Ораниенбауме. Другим увлечением Петра была игра на скрипке.

За годы, проведённые в России, Пётр никогда не делал попыток лучше узнать страну, её народ и историю, он пренебрегал русскими обычаями, вёл себя неподобающим образом во время церковной службы, не соблюдал посты и другие обряды.

Слишком поздно ему стали внушать сознание его великого предназначения, чтобы ждать от этого внушения скорейших плодов. Он даже по-русски так и не выучился и говорил на этом языке редко и весьма дурно.

Когда в 1751 году Великий князь узнал, что его дядя стал шведским королём, он обмолвился:

Затащили меня в эту проклятую Россию, где я должен считать себя государственным арестантом, тогда как если бы оставили меня на воле, то теперь я сидел бы на престоле цивилизованного народа.

Елизавета Петровна не допускала Петра 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 Великий князь открыто критиковал деятельность правительства, а во время Семилетней войны публично высказывал симпатии к прусскому королю Фридриху II. Больше того, Пётр тайно помогал своему кумиру Фридриху, передавая информацию о численности русских войск на театре военных действий.

Канцлер А. П. Бестужев-Рюмин объяснял маниакальную увлечённость наследника престола так:

Великого князя убедили, что Фридрих II его любит и отзывается с большим уважением; поэтому он думает, что как скоро он взойдёт на престол, то прусский король будет искать его дружбы и будет во всём помогать ему.

О вызывающем поведении Петра Фёдоровича было хорошо известно не только при дворе, но и в более широких слоях русского общества, где Великий князь не пользовался ни авторитетом, ни популярностью. Вообще осуждение антипрусской и проавстрийской политики Пётр разделял с супругой, но выражал его гораздо более открыто и дерзко. Однако императрица, несмотря на всё возрастающую неприязнь к племяннику,многое ему прощала как сыну рано умершей любимой сестры.