Пётр родился в ночь на 30 мая (9 июня) 1672 года в Теремном дворце Кремля (в 7180 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 и наречён Петром.
На третий день жизни царевича царь Алексей Михайлович велел снять с новорождённого «меру» — длину и ширину тела. На основе этих данных знаменитый придворный иконописец Симон Ушаков написал на кипарисной доске образ Живоначальной Троицы и апостола Петра. С тех пор Пётр не разлучался с этой иконой, а после его смерти она была установлена над императорским надгробием.
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 1677 по 1680 года.
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.