В день своего рождения, 26 февраля 1845 г., император Александр III, тогда еще великий князь, был назначен шефом Астраханского Кабардинского полка, с зачислением в списки л<ейб>–гв<ардии> Гусарского, Преображенского и Павловского полков. Его отец, цесаревич Александр Николаевич, встретив в этот день караул от л<ейб>–гв<ардии> Павловского полка, сказал начальнику караула прапорщику Гершельману: «Сегодня Бог дал мне сына, и государь повелел зачислить его к вам в полк; когда придешь в казармы, передай полковому командиру об этой новой милости его величества для объявления по полку». В том же году 7 июня новорожденный назначен шефом л<ейб>–гв<ардии> Финляндского стрелкового батальона, а 28 января 1848 г., в день пятидесятилетнего юбилея генерал-фельдцейхмейстера великого князя Михаила Павловича, Александр Александрович назначен состоять по гвардейской конной артиллерии.
В 1851 г. Александр Александрович нес впервые служебные обязанности: 1 августа, одетый в форму рядового л<ейб>–гв<ардии> Павловского полка, он стоял на часах у открывавшегося в Гатчине памятника императору Павлу Первому.
26 февраля 1852 г., в день семилетия со дня рождения, Александр Александрович державною волею императора Николая I, пожалован в прапорщики, а ровно через год – в подпоручики. 22 июля 1855 г. он зачислен в стрелковый полк императорской фамилии, а 24 декабря того же года «за успехи в науках, оказанные на экзамене в присутствии их величеств, произведен в поручики». 26 февраля 1856 г. он зачислен в л<ейб>–гв<ардии> Конный полк, а 17 апреля назначен шефом Переяславского драгунского полка, 26 февраля 1858 г. произведен в штабс-капитаны, 26 февраля 1862 г. – в капитаны, 30 августа 1862 г. назначен флигель-адъютантом к его императорскому величеству и 6 сентября 1863 г. произведен в полковники.
В 1864 г. Александр Александрович впервые отбывал лагерный сбор при Красном Селе, командуя стрелковою ротою учебного пехотного батальона. В этом же году, 6 августа, он получил первый орден за личную свою службу, Св. Владимира 4 ст.
За кончиною своего старшего брата манифестом 12 апреля 1865 г. Александр Александрович объявлен наследником престола. 29 мая того же года он назначен атаманом всех казачьих войск и шефом л<ейб>–гв<ардии> Атаманского казачьего и 3-го уланского Смоленского полков и поселенного № 9-го Выборгского стрелкового батальона и зачислен в л<ейб>–гв<ардии> Кавказские казачьи эскадроны собственного его величества конвоя, в л<ейб>–гв<ардии> Уральский казачий дивизион и в л<ейб>–гв<ардии> Донскую казачью батарею. В день принятия присяги, 20 июля, цесаревич Александр зачислен в полки Кавалергардский, л<ейб>–гв<ардии> Семеновский, Кирасирский его величества, Измайловский, Гатчинский, Уланский его величества и Гренадерский, в батальоны л<ейб>–гв<ардии> Стрелковый и Саперный, в л<ейб>–гв<ардии> 1-ю артиллерийскую бригаду и в Гвардейский экипаж.
С 22 июля по 7 августа 1865 г. цесаревич Александр находился вторично в лагерном сборе, командуя 1-м батальоном л<ейб>–гв<ардии> Преображенского полка, а 30 августа того же года произведен в генерал-майоры, с назначением в свиту его величества.
В лагерном сборе 1866 г. цесаревич Александр командовал л<ейб>–гв<ардии> Преображенским полком; 28 октября того же года он назначен вторым шефом всех полков и частей гвардии, шефом которых состоял император Александр II; 6 октября 1867 г. он назначен состоять при войсках гвардии, 18 апреля 1868 г. – генерал-адъютантом к его императорскому величеству; с 22 апреля по 19 мая 1868 г. временно командовал 2-ю гвардейскою пехотною дивизиею, с 3 июня по 19 июля – бригадою из л<ейб>–гв<ардии> Уланского и Гусарского его величества полков и 24 сентября произведен в генерал-лейтенанты.
23 февраля 1870 г. цесаревич Александр назначен командовать 1-ю гвардейскою пехотною дивизиею, 23 апреля назначен шефом 145-го пехотного Новочеркасского полка; 30 июля пожалован орденом Св. Владимира 2 ст. и 25 ноября зачислен вторым шефом 1-й его величества батареи гвардейской конно-артиллерийской бригады, 22 августа 1871 г. назначен вторым шефом 1-го лейб-гренадерского Екатеринославского его величества полка, 30 сентября – таковым же шефом 13-го лейб-гренадерского Эриванского его величества полка, 26 апреля 1872 г. назначен начальником 1-й гвардейской пехотной дивизии, 11 августа – шефом л<ейб>–гв<ардии> Донской конно-артиллерийской батареи, 6 мая 1873 г. зачислен в списки л<ейб>–гв<ардии> Резервного пехотного полка, 26 февраля 1874 г. назначен вторым шефом полков его величества: 68-го лейб-пехотного Бородинского, 1-го лейб-драгунского Московского, 2-го лейб-уланского Курляндского и 2-го лейб-гусарского Павлоградского, а также 1-го Павловского и 3-го Александровского военных училищ, 30 августа 1874 г. произведен в генералы от инфантерии и генералы от кавалерии, с назначением командиром гвардейского корпуса.
21 июля 1875 г. цесаревич Александр зачислен в полки л<ейб>–гв<ардии> Литовский и Гродненский гусарский, а 26 июля 1877 г., на основании приказа главнокомандующего действующею армиею от 22 июля, вступил в командование Рущукским отрядом. Во время командования этим отрядом Александр Александрович участвовал: 12 октября – в усиленной рекогносцировке неприятельского расположения и 30 ноября – в сражении у Трестеника и Мечки. 15 сентября он пожалован кавалером ордена Св. Владимира 1 ст. с мечами при рескрипте, в котором, между прочим, было изложено: «Благоразумные распоряжения вашего императорского высочества во время командования отдельным значительным отрядом в действующей армии, вполне соответствующие видам главнокомандующего и общему плану кампании, дают вам право на особенную нашу признательность; предводительствуемые вами храбрые наши войска неоднократно отражали все нападения превосходившего их численностью неприятеля и выказали при том свои превосходные качества». 30 ноября цесаревич пожалован кавалером ордена Св. Георгия 2 ст. В данном по этому случаю рескрипте было, между прочим, приведено: «Рядом доблестных подвигов, совершенных храбрыми войсками вверенного вам отряда, блистательно выполнена трудная задача, возложенная на вас в общем плане военных действий; все усилия значительно превосходившего численностью неприятеля прорвать избранные вами позиции в течение пяти месяцев оставались безуспешными, и наконец 30 ноября сего года отчаянные атаки на Мечку мужественно отбиты под личным вашим предводительством». 3 декабря он назначен шефом 2-го пехотного Софийского полка, с 10 по 13 января 1878 г. участвовал в наступлении войск Северного отряда под личным своим начальством и преследовании турецкой армии от Коло-Лам к кр<епости> Шумле, а 26 февраля того же года ему пожалована золотая, бриллиантами украшенная сабля с надписью: «За отличное командование Рущукским отрядом».
Цесаревич Александр, принимая видное участие в последней Русско-турецкой войне и получив за нее три боевых награды, возвратился в Петербург 6 февраля 1878 г., пробыв в отсутствии без двух дней десять месяцев (он выехал в Кишинев совместно с императором Александром II 8 апреля 1877 г.).
1 марта 1879 г. Александр Александрович назначен вторым шефом 80-го пехотного Кабардинского генерал-фельдмаршала князя Барятинского полка, 30 августа – таковым же шефом 16-го стрелкового его величества батальона, с 4 по 25 мая 1880 г. временно командовал войсками гвардии и Петербургского военного округа, 22 июля зачислен в л<ейб>–гв<ардии> Кирасирский ее величества полк, 17 августа назначен командующим войсками гвардии и Петербургского военного округа, а 2 марта 1881 г. вступил на всероссийский престол.