Nikolai I. war der dritte Sohn (aber auch Enkel der Zarin Katharina der Großen) und daher ein unwahrscheinlicher Kandidat für den russischen Thron. Er erhielt in erster Linie eine militärische Ausbildung und begeisterte sich für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen. Auch in dieser Hinsicht war er doch kaum für eine staatliche Tätigkeit geeignet.
1801, als Nikolai vier Jahre alt war, wurde sein Vater Zar Paul I. ermordet. Weiter erzog ihn seine Mutter Maria Fjodorowna, geborene Sophie Dorothea von Württemberg.
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Der 16-jährige Nikolai war ein leidenschaftlicher Paraden-Zuschauer und wollte während der französischen Invasion in Russland 1812 unbedingt an den Kampfhandlungen teilnehmen. Zar Alexander I., sein älterer Bruder, erlaubte ihm jedoch erst zum deutschen Feldzug 1813, der Armee beizutreten.
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Aber nach dem plötzlichen Tod von Alexander I. im Dezember 1825 und der Abdankung des Bruders und Großfürsten Konstantin Pawlowitsch blieb nur noch Nikolai für die Thronfolge.
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Die Herrschaft Nikolais startete turbulent: Am 26. Dezember 1825 fand auf dem Senatsplatz in der damaligen Hauptstadt Sankt Petersburg der so genannte Dekabristenaufstand statt, den eine Gruppe rebellischer Offiziere anführte, die den Eid auf den neuen Zaren verweigerten und sich gegen die Monarchie erhoben, um liberale Freiheiten zu erlangen. Nikolai ließ die Revolte niederschlagen. Einige Offiziere wurden gehängt, die meisten jedoch nach Sibirien in die Verbannung geschickt. Unter ihnen war auch der Schriftsteller Fjodor Dostojewskij.
Für den Zaren Nikolai I. war dies eine schwere Prüfung, die seine gesamte Regierungszeit prägen sollte. Der Aufstand zeigte ihm, dass er seine Macht stabilisieren musste. Eines seiner ersten Dekrete galt darum auch der Einrichtung der sogenannten Dritten Abteilung – einer Geheimpolizei, die Revolutionen und andere Unruhen im Vorfeld im Keim ersticken sollte.
Auf Nikolais Befehl hin wurden viele angesehene Literaten und Dichter seiner Zeit bespitzelt und deren Werke zensiert. Auch Alexander Puschkin betrachtete der Zar als einen gefährlichen liberalen Anführer.
Gleichzeitig aber würdigte Nikolai I. das literarische Talent des jungen Lew Tolstoi und lobte Nikolai Gogols bahnbrechenden Roman „Die toten Seelen“.
Seit seiner Jugend zeigte Nikolai eine ausgeprägte ingenieurtechnische Neigung. Der Zar war denn auch bei fast allen wichtigen Architektur- und Straßenbauprojekten in Russland persönlich beteiligt.
Während Nikolais Regierungszeit wurde 1851 die erste russische Eisenbahn zwischen Sankt Petersburg und Moskau gebaut. Seitdem gilt in Russland eine Spurweite von 1524 Millimetern als Norm. Auch Berater aus den USA waren an der Entwicklung beteiligt und in den dortigen Südstaaten war dieselbe Weite verbreitet. Aber auch militärische Aspekte spielten eine wichtige Rolle: Die gewählte Norm sollte es dem Feind im Falle eines Einmarschs schwermachen, vor Ort die eigenen Truppen zu versorgen.
Seit 1825 war eines von Nikolais Hauptzielen in der Außenpolitik, keinesfalls eine Revolution über die europäischen Grenzen zuzulassen. Außerdem sah er es als seine heilige Pflicht an, auch die Revolutionen in Europa zu bekämpfen. Seine Befehle, die Aufstände in Polen (1830) und Ungarn (1848-49) zu unterdrücken, brachten Russland das Image eines „Gendarmen Europas“ ein.
Die politischen Spannungen in Europa mündeten dann jedoch in einen gewaltigen militärischen Konflikt: den Krimkrieg (1853-56). Russland kämpfte dabei gegen eine Koalition aus Großbritannien, Frankreich, Sardinien und dem Osmanischen Reich im Schwarzen Meer, auf dem Balkan und im Kaukasus.
Nach drei Jahren schwerer Kämpfe und der kraftraubenden Belagerung von Sewastopol erlitt Russland eine schwere Niederlage. Einige glauben, dass jene Niederlage im Krimkrieg im März 1855 dann auch zu dem plötzlichen Tod Nikolais I. führte.