พระองค์พระราชสมภพ ณ พระตำหนักของพระอัยยิกา จักรพรรดินีนาถเอลิซาเบธ ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก เป็นพระราชโอรสในจักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 กับจักรพรรดินีเยกาเจรีนาที่ 2 ในความทรงจำช่วงวัยเยาว์ของพระองค์ พระราชมารดาของพระองค์ทรงบ่งชี้เป็นนัยมากมายว่าพระราชบิดาของพระองค์ไม่ใช่ จักรพรรดิปีเตอร์ที่ 3 แต่เป็นชู้รักของพระมารดานั้นคือ เชิร์จ ซัลตีคอฟ ขุนนางในราชสำนัก ส่วนฝ่ายที่สนับสนุนแคทเธอรีนอ้างว่าจักรพรรดิปีเตอร์ทรงเป็นหมันโดยไม่มีหลักฐานใดอ้างอิงถึง อีกทั้งยังอ้างว่าพระองค์ไม่สามารถมีความสัมพันธ์ทางเพศกับแคทเธอรีนตั้งแต่หมั้นกันจนกระทั่งปีเตอร์เข้ารับการผ่าตัด จึงทำให้พระองค์จะไม่สามารถให้กำเนิดรัชทายาทได้ อย่างไรก็ตามเรื่องนี้ฝ่ายผู้ที่ต่อต้านพอลล์ได้ใช้โจมตีพระองค์ ซึ่งสามารถทำให้พระองค์พ้นจากความเป็นรัชทายาทได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากข้อสงสัยในสายเลือดกษัตริย์และสิทธิอันชอบธรรมในการขึ้นเสวยราชย์ของพระองค์ แคทเธอรีนจึงตอบโต้โดยใช้ข้ออ้างที่คลุมเคลือว่าสรีระของพอลล์ละม้ายคล้ายคลึงกับปีเตอร์ แม้กระนั้นก็ตามยังมีข้อสงสัยถึงข้ออ้างเกี่ยวกับบุตรนอกสมรสตามมา

ในช่วงครั้งยังเป็นทารกพอลล์ได้รับความเอาใจใส่โดยพระราชมารดาโดยพระอัยยิกาเอลิซาเบธ คอยให้ความช่วยเหลือ ซึ่งถูกโรคร้ายลงโทษในภายหลัง ในขณะที่ยังเป็นเด็กพระองค์ถูกเล่าขานว่าทรงมีไหวพริบที่ดีและบุคลิกภาพที่เยี่ยมยอด ต่อมาพระนาสิก (จมูก) ของพระองค์หัก ทำให้ใบหน้าของพระองค์อัปลักษณ์ ที่ต่อมาพระองค์อ้างว่าเป็นผลมาจากโรคไข้รากสาดใหญ่ที่พระองค์ประชวรอย่างทรมานใน พ.ศ. 2314 ซึ่งอาจจะเป็นสาเหตุให้พระราชมารดาทรงเกลียดพระองค์ อีกทั้งยังมีผู้ที่หมายปองจะกำจัดพระองค์ และในช่วงวัยเยาว์นี้เองที่พระองค์ต้องทนอยู่กับความกลัวที่ว่าการลอบปลงพระชนม์จะมาถึงพระองค์ ถึงแม่แคทเธอรีนจะเห็นว่าพระองค์อ่อนแอไม่เหมาะจะขึ้นครองราชย์ แต่ด้วยความที่แคทเธอรีนเป็นผู้ซึ่งมีจิตใจรักเด็กอยู่แล้ว จึงปฏิบัติต่อพอลล์อย่างเมตตา พระองค์ถูกมองว่าเหลวไหลในงานราชการต่าง ๆ และตั้งข้อกังขาถึงอนาคตพระจักรพรรดิแห่งรัสเซีย ต่อมาเมื่อพระชนมายุมากขึ้นพระราชมารดาก็ได้นำภาระและความลำบากมาสู่พระองค์เมื่อพระราชมารดาจัดการอภิเษกสมรสครั้งแรกของพระองค์กับ วิลเฮล์มมิน่า ลุยซ่า ธิดาใน ลุดวิกที่ 4 แลนด์เกรฟแห่งเฮสส์-ดาร์มสตาดต์ ซึ่งต่อมาเปลี่ยนพระนามเป็น เจ้าหญิงนาตาเลีย อเล็กเซเยฟน่าแห่งรัสเซีย ซึ่งต่อมาทรงสิ้นพระชนม์ก่อนจะพระราชสวามีจะได้เสด็จเถลิงถวัลยราชสมบัตื และพระองค์อภิเษกสมรสอีกครั้งกับ เจ้าหญิงโซฟี โดโรเธียแห่งเวือร์ทเท็มแบร์ก ผู้ซึ่งเป็นพระจักรพรรดินีมเหสีในภายหลัง