Следовало позаботиться о должном образовании будущего государя. Вопреки расхожим утверждениям, он не был совершенным невеждой. Отчёты воспитателей принца за 1739—1741 годы из голштинского архива показывают, что Карл Петер Ульрих владел французским и латынью, изучал арифметику, римское право, фехтование и верховую езду; прочёл Библию с комментариями и имел представление об истории и географии соседних стран. Другое дело, что преподаватели были скучны и суровы, а наказания — часты и жестоки: заточение в капелле на хлебе и воде, хождение в «позорном колпаке», запрет на игрушки, стояние в углу на коленях на горохе, порка розгами под звуки флейты и барабана. Неудивительно, что мальчишка учился из рук вон плохо и на всю оставшуюся жизнь сохранил отвращение к школьному занудству.

Елизавета избрала ему в наставники российского академика и ординарного профессора поэзии и элоквенции (красноречия) Якова Штелина, который предложил свою систему: учить высокопоставленного школяра незаметно и с наименьшими с его стороны усилиями. К примеру, Штелин читал подопечному новости из газет о происшествиях в европейских государствах, а затем показывал их на карте, знакомил его с иностранными «ходячими монетами» и курсом обмена.

Успехи были скромными: по словам воспитателя, Пётр, по мнению учителей, «от природы судит довольно хорошо, но привязанность к чувственным удовольствиям более расстраивала, чем развивала его суждения, и потому он не любил глубокого размышления». Мальчик стал худо-бедно говорить по-русски, «прошёл» Закон Божий в православном изложении; с удовольствием учился играть на скрипке и без всякого удовольствия — танцевать. Больше всего ему нравилась «практическая математика» — изучение по моделям фортификации и полевых укреплений; к прочим наукам он относился без всякой «охоты», но всё же, как вспоминал его наставник, из истории России «знал государей от Рюрика до Петра I». Но самым большим удовольствием для юного принца было «видеть развод солдат во время парада» — с этим не мог сравниться никакой бал или балет. За отсутствием в распоряжении настоящих солдат Пётр играл с оловянными (при русском дворе никто ему этого не запрещал), а затем проводил «экзерциции» с лакеями и пажами. Он мечтал о воинских подвигах, хвалился, что ни в каком сражении не останется позади, но «на деле боялся всякой опасности» и «всегда чувствовал страх при стрельбе и охоте».

Учиться в те времена было трудно, а обер-гофмаршал наследника Брюммер по-прежнему подвергал его наказаниям за малейшие провинности — в результате тот вырос обидчивым, самолюбивым, вспыльчивым и упрямым. К тому же ребёнок нередко пропускал занятия из-за болезней, придворных церемоний и увеселений. В итоге, к большому огорчению императрицы, Штелин смог отметить разве что природные «память и остроумие» своего ученика и его игру на скрипке. Но главное — Пётр так и остался иноземным принцем в чужой стране, больше всего любившим своё маленькое обиженное герцогство.