Великий князь Константин Николаевич получил прекрасное воспитание и обучался делу под руководством самых авторитетных педагогов и специалистов в отечестве. Для этого у Николая I, нежнейшего родителя, разумеется, хватало и разумения, и возможностей. Так как он предполагал готовить сына к морскому делу, в главные воспитатели ему в 1832 году он пригласил самого заслуженного моряка — выдающегося мореплавателя, географа, исследователя Арктики — Федора Петровича Литке, которому впоследствии был присвоен графский титул и поручено руководить Академией наук.
Николай I позаботился и о том, чтобы уже с восьмилетнего возраста его сын принимал участие в морских походах. Для начала — по Финскому заливу, а затем и по Балтийскому, Баренцеву, Северному морям. На фрегате «Паллада» будущий морской министр провел два первых похода, познав таким образом все радости и тягости морской службы и полюбив ее. В 20 лет он получает чин капитана 1-го ранга, становится командиром того же фрегата «Паллада».
Надо полагать, что Федор Литке был не только хорошим наставником по морскому делу, но и хорошим воспитателем. На всю жизнь министр Морского ведомства и переустроитель русского флота Константин Николаевич Романов сохранил к нему не только признательность, но и нежную дружбу, часто следовал его советам. Не раз он признавался, что ценил и любил своего наставника: «Ему обязан всем тем, кем сейчас являюсь. Он меня поставил на ноги».
К воспитанию сыновей Николай I привлек и поэта Василия Андреевича Жуковского, человека морально безупречного, свободолюбивого и свободного от предрассудков, но набожного и преданного монархии. Василий Андреевич освободил своих крепостных, выступал против всякой тирании. Он же в качестве учителей для своих титулованных учеников Александра и Константина выбирал умы независимые. Среди них были историк К. И. Арсеньев, лишенный профессорского звания за неблагонадежность; М. М. Сперанский, проведший годы в сибирской ссылке при Александре I. Впоследствии, совершенствуя знания русской истории, Константин Николаевич часто общался с первейшими тогда исследователями и знатоками ее — М. П. Погодиным и С. М. Соловьевым.
«Общее является суммой индивидуальных благ; а цель никогда не оправдывает средства, — учил своих воспитанников Жуковский. — Добиваться цели нужно поступательным путем, а не насилием, ибо всякая революция есть шаг из понедельника в среду».
Василий Андреевич тесно сблизился и подружился со своим воспитанником и переписку, возникшую в «учебных целях», вел с ним до самой своей смерти.
В становлении личности Константина Николаевича было три основополагающих момента. Первый он указывает сам: «Я с молодых лет питал уважение к наукам и верил в необходимость поступательного движения на пути просвещения». Второй — люди, в кругу которых он общался и которых избирал себе в друзья и соратники; как правило, это были интеллектуалы и прогрессисты. Третий — привитое с детства понятие «доброй нравственности». Николай I приказал барону М. А. Корфу (сокурсник Пушкина), который преподавал юному Константину законоведение, «не останавливаться на отвлеченных предметах, ибо лучшая теория права — добрая нравственность, а она должна быть в сердце независимой от этих отвлеченностей и иметь своим основанием религию».
Николай I, сам человек очень религиозный, настаивал на том, чтобы его сыновьям в качестве фундаментальной основы морали внушались религиозные принципы. Священник, наставлявший Александра и Константина, побуждал обоих задумываться, для какой цели создал Бог каждого человека, зачем нужно изучать свой характер и давать себе ясный отчет в своих поступках и впечатлениях. Он учил также спрашивать себя, приносит ли пользу другим твоя жизнь.
Константин-младший не мог точно знать, задавался ли этим вопросом его отец, но вся отцовская деятельность и количество «отвлеченностей», в которых он достигал высокого профессионализма, является свидетельством тому. Для него же самого привычка спрашивать с себя стала совершенно естественной, и совсем не исключено, что она — не только результат религиозного воспитания его самого, но перешла к нему в наследство от отца и деда.
Вопреки всем канонам, существующим тогда для Царской семьи Романовых, Константин Николаевич мечтал получить, кроме военного, и высшее университетское образование. Но на пути встали запреты, условности, традиции, и «скучный книжный Костя» не получил разрешения на поступление в университет. Но именно «отвлеченности» стали его университетами.
Он не только столь хорошо играл на виолончели и фортепиано, что осмеливался музицировать с великим Вержбиловичем, знаменитой Епанчиной, консерваторским оркестром, но также знал историю и теорию музыки, серьезно увлекался литературой. Он отдал должное шахматам, интеллектуальной игре, входившей тогда в моду на Западе. В Николаеве, где Великий князь жил во время Крымской войны, он регулярно посещал шахматный кружок, а впоследствии стал почетным председателем Петербургского шахматного клуба. Ряд сыгранных им партий был даже опубликован в 1869 году.
В 1848 году в возрасте двадцати одного года Константин Николаевич Романов содействовал появлению литературного журнала «Морской сборник», который выпускался до 1917 года. При этом он добился того, чтобы журнал не подлежал общей цензуре. В этом журнале печатались И. А. Гончаров, А. Н. Островский, Д. В. Григорович, А. Ф. Писемский, К. М. Станюкович. Неподконтрольность цензуре и опекунство Великого князя сделали возможным публикацию здесь материалов педагогической дискуссии, подготовившей школьную реформу в России, проведенную впоследствии министром народного просвещения А. В. Головниным. Здесь же печатались неординарные статьи хирурга Н. И. Пирогова и, самое важное, правдивые статьи о Севастопольской кампании в Крымскую войну (1853–1856). «Летописью Севастопольской обороны» называл эти статьи Н. Г. Чернышевский.
В 21 год Константин Николаевич был произведен в контр-адмиралы. В 22 года, во время Венгерского похода в 1849 году, он участвовал в сражениях под Дебреценом и Вайценом, отвечая за переправу через реку Тиссу. От главнокомандующего армией князя И. Ф. Паскевича получил орден Георгия 4-й степени. Из действующей армии он писал отцу Николаю I столь обстоятельные письма, что Император именно на их основе строил свои представления об этой кампании.
Фрейлина Анна Федоровна Тютчева, дочь известного поэта, описала Константина Николаевича, когда ему было 25–26 лет: «… Молодые великие князья очень приветливы и добры, даже слишком просты и недостаточно выдерживают свою роль полубогов. Великий князь Константин самый величественный из них, но он, как и прочие, очень прост в обращении; тем не менее, в его взгляде, в его осанке чувствуется владыка… У Великого князя довольно дерзкая и бесцеремонная манера рассматривать людей в монокль, пронизывая вас жестким, но умным взглядом. Один из всей царской семьи он невысокого роста, у него красивые „романовские“ черты лица, а профиль немного напоминает Наполеона в молодости. Он отличается живостью, много говорит и с большой легкостью и изяществом выражается на нескольких языках. Чисто и грамотно на русском, что давало повод слыть ему свирепым славянином, говорящим только по-русски и пренебрегающим всеми формами европейской цивилизации. На самом деле он был европейски просвещен, видел Россию управляемой собственными силами, но в кругу мировой цивилизации. Говорят, что он очень образован, очень любознателен, очень деятелен; от него ждут с надеждой славы будущего царствования. Утверждают, что его отец не очень его любит из-за некоторых честолюбивых поползновений, которые внушают ему недоверие к своему второму сыну».