Tijdens de Eerste Wereldoorlog woonde hij lange tijd met zijn vader op het legerhoofdkwartier in Mogilev en observeerde hij het militaire leven. Alexei werd een van de eerste padvinders in Rusland.
In december 1916 ontving generaal-majoor Sir John Hanbury-Williams, hoofd van het Britse leger in Stavka, bericht van de dood van zijn zoon in actie bij de British Expeditionary Force in Frankrijk. Tsaar Nicolaas stuurde de twaalfjarige Alexei om bij de rouwende vader te gaan zitten.
‘Papa zei dat ik bij je moest komen zitten, omdat hij dacht dat je je vanavond eenzaam zou voelen,’ zei Alexei tegen de generaal.
Alexei groeide, net als alle Romanov-mannen, op met matrozenuniformen en speelde oorlog vanaf de tijd dat hij een peuter was. Zijn vader begon hem voor te bereiden op zijn toekomstige rol als tsaar door Alexei uit te nodigen voor lange ontmoetingen met ministers.
Tijdens de Eerste Wereldoorlog voegde Alexei zich bij zijn vader in Stavka , toen zijn vader in 1915 opperbevelhebber van het Russische leger werd. Alexei leek het militaire leven erg leuk te vinden en werd erg speels en energiek. In een van zijn vaders briefjes aan zijn moeder zei hij:
“Ik ben met natte mouwen en laarzen uit de tuin gekomen terwijl Alexei ons bij de fontein besproeide. Het is zijn favoriete spel […] er klinkt gelach. Ik houd een oogje in het zeil, om te zien dat het niet te ver gaat.’
Alexei at zelfs het zwarte brood van de soldaten en weigerde toen hem een maaltijd werd aangeboden die hij in zijn paleis zou eten, en zei: “Het is niet wat soldaten eten”. In december 1915 werd Raspoetin uitgenodigd om Alexei te bezoeken toen de 11-jarige jongen per ongeluk tegen het raam van een trein werd gegooid en zijn neus begon te bloeden.
In 1916 kreeg hij de titel van Lance Corporal, waar hij erg trots op was. Alexei’s favorieten waren de buitenlanders van België, Groot-Brittannië, Frankrijk, Japan, Italië en Servië, en adopteerden hem als hun mascotte. Hanbury-Williams , die Alexei leuk vond, schreef: “Naarmate de tijd verstreek en zijn verlegenheid afnam, behandelde hij ons als oude vrienden en […] had hij altijd een beetje plezier met ons. Bij mij was het om ervoor te zorgen dat elke knop mijn jas was goed vastgemaakt, een gewoonte die mij er uiteraard toe bracht er grote zorg aan te besteden om er een of twee los te knopen, in welk geval hij onmiddellijk stopte en me vertelde dat ik ‘weer slordig’ was, zuchtte over mijn gemis aandacht besteden aan deze details en stop en knoop me voorzichtig weer dicht.”