Пётр родился в ночь на 30 мая (9 июня) 1672 года в Теремном дворце Кремля (в 7235 году по принятому тогда летоисчислению «от сотворения мира»).

Отец — царь Алексей Михайлович — имел многочисленное потомство: Пётр был 12-м ребёнком, но первым от второй жены, царицы Натальи Нарышкиной. 29 июня в день Святых Петра и Павла царевич был крещён в Чудовом монастыре (по другим данным в храме Григория Неокесарийского, в Дербицах, протопопом Андреем Савиновым) и наречён Петром.

Побыв год с царицей, он был отдан на воспитание нянькам. На 4-м году жизни Петра, в 1676 году, умер царь Алексей Михайлович. Опекуном царевича стал его сводный брат, крёстный отец и новый царь Фёдор Алексеевич. Дьяк Н. М. Зотов учил Петра грамоте с 1676 по 1680 годы.

Смерть царя Алексея Михайловича и воцарение его старшего сына Фёдора (от царицы Марии Ильиничны, в девичестве Милославской) отодвинули царицу Наталью Кирилловну и её родню, Нарышкиных, на задний план. Царица Наталья вынуждена была отправиться в село Преображенское под Москвой.