Барышня же вначале видела в нём только государя, в то время как более опытные подруги и мать укоряли её за «неприличное поведение по отношению к императору». Но сопротивление было недолгим: Екатерина Долгорукова получила должность царских фавориток — стала фрейлиной императрицы. Июльской белой ночью 1866 года в приморском дворце Бельведер она вручила свою судьбу императору, и тот сказал ей: «Сегодня я, увы, не свободен, но при первой же возможности я женюсь на тебе, отселе я считаю тебя своей женой перед Богом, и я никогда тебя не покину». К чести его надо сказать, что слово он сдержал. Вскоре тайное стало явным, и петербуржцы, встречая в саду Александра II с Долгоруковой, шептались: «Государь прогуливает свою демуазель». Светские дамы судачили о том, что «дерзкая наложница» голой танцует перед императором на столе; её голос находили «вульгарным», а в её лице видели «овечье выражение».

Роман с девятнадцатилетней Катей захватил помыслы 48-летнего императора. Он навсегда запомнил 30 мая 1866 года, дату первого свидания, и 1 июля, которое «окончательно решило нашу судьбу»; даже много лет спустя эти воспоминания заставляли его «содрогаться от чувств», а лето 1866 года осталось в памяти их «медовым месяцем». Их письма полны чувств и страстей, хотя на людях император старался быть невозмутимым и соблюдать приличия. Влюблённые писали друг другу ежедневно, иногда два-три раза в день, даже тогда, когда находились рядом, в своих покоях Зимнего дворца. Одно из писем 1868 года Александр завершил словами: «Бедные мы, но не хочу терять надежды, что Бог нам однажды дарует то единственное счастье, которое нам недостаёт и которое составляет единственную цель нашей жизни». В 1867 году он повёз свою любовь в Париж, а потом рассказал о ней жене. «Я прощаю оскорбления, нанесённые мне как монархине, но я не в силах простить тех мук, которые причиняют мне как супруге», — заявила она. Права её детей на престол были несомненны и неоспоримы, а прочее публичному обсуждению не подлежало. Мария Александровна, вынужденная жить под одной крышей с соперницей, не допускала никаких «разоблачений».

«Я ожидаю, что завтра мы минимум три раза займёмся любовью», — писала княжна своему «сердечному другу». Александр II выражался более сдержанно, но вполне определённо: «Хотел бы проснуться в твоих объятьях. Надеюсь вечером, часов в 8, встретиться в нашем гнёздышке... Твой навсегда». 2 февраля 1869 года он писал:

«...Завершение нашего вечера оставило у меня очень нежное впечатление, но я признаю, что был крайне опечален тем, что видел твоё беспокойство в начале, твои слёзы причинили мне боль, потому что невольно я говорил себе, что тебе больше недостаточно моей любви, нет, скорее, что те короткие мгновения, которые я мог тебе уделить каждый день, не были достаточной компенсацией тебе за потрясения, неудобства и жертвы твоего нынешнего положения. Я думаю, что нет нужды тебе повторять, дорогой ангел, что ты — моя жизнь и что всё для меня сосредоточено в тебе, и именно поэтому я не могу хладнокровно смотреть на тебя в твои минуты отчаяния... Несмотря на всё моё желание, я не могу посвятить свою жизнь только тебе и жить только для тебя... Ты знаешь, что ты — моя совесть, моей потребностью стало ничего от тебя не скрывать, вплоть до самых личных мыслей... Не забывай, дорогой мой ангел, что жизнь мне дорога потому, что я не хочу потерять надежду посвятить себя целиком только тебе... Люблю тебя, дуся моя Катя».