พระองค์พระราชสมภพ ณ พระตำหนักของพระอัยยิกา จักรพรรดินีนาถเยลีซาเวตา ในเซนต์ปีเตอส์เบิร์ก เป็นพระราชโอรสในจักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 กับจักรพรรดินีนาถเยกาเจรีนาที่ 2 ในความทรงจำช่วงวัยเยาว์ของพระองค์ พระราชมารดาของพระองค์ทรงบ่งชี้เป็นนัยมากมายว่าพระราชบิดาของพระองค์ไม่ใช่ จักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 แต่เป็นชู้รักของพระมารดานั้นคือ เซียร์เกย์ ซัลทีกอฟ ขุนนางในราชสำนัก ส่วนฝ่ายที่สนับสนุนเยกาเจรีนาอ้างว่าจักรพรรดิปีเตอร์ทรงเป็นหมันโดยไม่มีหลักฐานใดอ้างอิงถึง อีกทั้งยังอ้างว่าพระองค์ไม่สามารถมีความสัมพันธ์ทางเพศกับเยกาเจรีนาตั้งแต่หมั้นกันจนกระทั่งปีเตอร์เข้ารับการผ่าตัด จึงทำให้พระองค์จะไม่สามารถให้กำเนิดรัชทายาทได้ อย่างไรก็ตามเรื่องนี้ฝ่ายผู้ที่ต่อต้านพอลได้ใช้โจมตีพระองค์ ซึ่งสามารถทำให้พระองค์พ้นจากความเป็นรัชทายาทได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากข้อสงสัยในสายเลือดกษัตริย์และสิทธิอันชอบธรรมในการขึ้นเสวยราชย์ของพระองค์ เยกาเจรีนาจึงตอบโต้โดยใช้ข้ออ้างที่คลุมเคลือว่าสรีระของพอลละม้ายคล้ายคลึงกับปีเตอร์ แม้กระนั้นก็ตามยังมีข้อสงสัยถึงข้ออ้างเกี่ยวกับบุตรนอกสมรสตามมา

ในช่วงครั้งยังเป็นทารกปัฟเวลได้รับความเอาใจใส่โดยพระราชมารดาโดยพระอัยยิกาเยลีซาเวตา คอยให้ความช่วยเหลือ ซึ่งถูกโรคร้ายลงโทษในภายหลัง ในขณะที่ยังเป็นเด็กพระองค์ถูกเล่าขานว่าทรงมีไหวพริบที่ดีและบุคลิกภาพที่เยี่ยมยอด ต่อมาพระนาสิก (จมูก) ของพระองค์หัก ทำให้ใบหน้าของพระองค์อัปลักษณ์ ที่ต่อมาพระองค์อ้างว่าเป็นผลมาจากโรคไข้รากสาดใหญ่ที่พระองค์ประชวรอย่างทรมานใน ค.ศ. 1771 ซึ่งอาจจะเป็นสาเหตุให้พระราชมารดาทรงเกลียดพระองค์ อีกทั้งยังมีผู้ที่หมายปองจะกำจัดพระองค์ และในช่วงวัยเยาว์นี้เองที่พระองค์ต้องทนอยู่กับความกลัวที่ว่าการลอบปลงพระชนม์จะมาถึงพระองค์ ถึงแม่เยกาเจรีนาจะเห็นว่าพระองค์อ่อนแอไม่เหมาะจะขึ้นครองราชย์ แต่ด้วยความที่เยกาเจรีนาเป็นผู้ซึ่งมีจิตใจรักเด็กอยู่แล้ว จึงปฏิบัติต่อพอลอย่างเมตตา พระองค์ถูกมองว่าเหลวไหลในงานราชการต่าง ๆ และตั้งข้อกังขาถึงอนาคตพระจักรพรรดิแห่งรัสเซีย ต่อมาเมื่อพระชนมายุมากขึ้นพระราชมารดาก็ได้นำภาระและความลำบากมาสู่พระองค์เมื่อพระราชมารดาจัดการอภิเษกสมรสครั้งแรกของพระองค์กับ เจ้าหญิงวิลเฮ็ลมีเนอ ธิดาใน ลูทวิชที่ 4 ลันท์กราฟแห่งเฮ็สเซิน-ดาร์มชตัท ซึ่งต่อมาเปลี่ยนพระนามเป็น นาตาลียา อเล็กเซยีฟนา ซาเรฟนาแห่งรัสเซีย ซึ่งต่อมาทรงสิ้นพระชนม์ก่อนจะพระราชสวามีจะได้เสด็จเถลิงถวัลยราชสมบัติ และพระองค์อภิเษกสมรสอีกครั้งกับ เจ้าหญิงโซฟี โดโรเทอาแห่งเวือร์ทเทิมแบร์ค ผู้ซึ่งเป็นจักรพรรดินีในภายหลัง