Обстоятельства воцарения Петра сыграли значительную роль в становлении ряда негативных черт его характера. Многие историки отмечают, что жестокость и невротичность монарха обусловлены впечатлениями стрелецкого восстания, когда на глазах у десятилетнего подростка были убиты близкие ему люди. Да и сама жизнь его и матери висела на волоске.
После смерти в 1682 г. Фёдора Алексеевича династический вопрос вновь встал на повестку дня. Подавляющая часть правящей элиты выражала сомнения в дееспособности болезненного Ивана, старшего в роду. При поддержке Патриарха Иоакима царем провозглашают юного Петра. По мнению историка Н. И. Павленко, «события того дня находились во власти стихии: одни хотели видеть на троне Ивана, другие – Петра. Приверженцев Петра, видимо, оказалось больше, и кричали они громче».
Однако Милославские, партию которых возглавили боярин Иван и царевна Софья, старшая дочь Алексея Михайловича, не теряли времени даром. Они настраивали стрельцов, множество полков которых располагалось в столице, против своих командиров. Одно из требований об отстранении наиболее одиозных полковников вскоре было удовлетворено. Затем последовали новые претензии, которые лишь подогревали обстановку. Наталья Кирилловна, представлявшая интересы сына, оказалась неискушенным правителем, растерялась ввиду быстро сменявших друг друга обстоятельств.
15 мая стрелецкие отряды, среди которых накануне широко распространился слух о неслучайной кончине царя Фёдора и намерении Нарышкиных «извести» и царевича Ивана, проникли в Кремль. Вскоре на Красном крыльце в окружении придворных показались бледные братья Иван и Пётр, вид которых, по мнению окружения царицы Натальи, должен был успокоить толпу. Но раззадоренные стрельцы потребовали выдать им «изменников-бояр». Вскоре бунтовщиков уже ничего не могло остановить. На глазах у всех некоторых бояр схватили за кафтаны и сбросили на площадь, где их подняли на копья. Погибли несколько членов семьи Нарышкиных, множество бояр, стрелецких полковников, приказных деятелей. Одним из первых был убит А. С. Матвеев, за три дня до этого спешно вернувшийся из ссылки. Москва запылала, многие богатые дома оказались разграбленными (понятно, что насилие не касалось сторонников Милославских). 26 мая спешно созванный Земский собор объявил о совместном правлении двух царей, Ивана и Петра, при главенстве первого. Царевна Софья получила реальную власть и титул правительницы (регентши).
Возможно, в других обстоятельствах перспективы «женского» правления имели бы определенные шансы на успех. Но в традиционном патриархальном государстве, каким являлась Россия в то время, судьба Софьи была предрешена. Сыграли свою роль и устремления сторонников молодого Петра, которого они хотели видеть реальным монархом.
В годы регентства правительство Софьи, возглавляемое князем В. В. Голицыным, предприняло ряд удачных дипломатических шагов, завершившихся заключением в 1686 г. Вечного мира с Польско-Литовским государством (Речью Посполитой) и присоединением России к Священной лиге в ее противостоянии Османской империи. На востоке в 1689 г. удалось заключить Нерчинский договор с Китаем. Однако предпринятые для поддержки союзников походы против Крымского ханства (в 1687 и 1689 гг.) оказались малорезультативными. Оба раза русское войско возвращалось из степей несолоно хлебавши, так и не сумев вступить на территорию Крымского полуострова.
Новое отстранение от реальных рычагов власти вызвало увеличение времени пребывания двора Натальи Кирилловны в подмосковных резиденциях – Воробьеве, Преображенском, Коломенском. Вероятно, тогда же произошло нарушение систематических занятий подрастающего монарха. Несмотря на «царственный» статус, Пётр оказался избавлен от излишней опеки прежних воспитателей, получив время на реализацию собственных увлечений. В Преображенском, пользовавшемся его особым интересом, у него появилась большая коллекция игрушечных сабель, пищалей, пушечек, моделей кораблей. В 1686 г. на полях близ села появляется деревянная крепостица с казармами, арсеналом, складами для военного снаряжения.
В Кремле Пётр по-прежнему появлялся для участия в церемониальных мероприятиях или во время церковных праздников. Сохранилось описание одного из дипломатических приемов 1683 г., оставленное шведским дипломатом Кемпфером: «В приемной палате, обитой турецкими коврами, на двух серебряных креслах под святыми иконами сидели оба царя в полном царском одеянии, сиявшем драгоценными каменьями. Старший брат, надвинув шапку на глаза, опустив глаза в землю, никого не видя, сидел почти неподвижно; младший смотрел на всех; лицо у него открытое, красивое; молодая кровь играла в нем, как только обращались к нему с речью. Удивительная красота его поражала всех предстоявших, а живость его приводила в замешательство степенных сановников московских. Когда посланник подал верящую грамоту и оба царя должны были встать в одно время, чтобы спросить о королевском здоровье, младший, Пётр, не дал времени дядькам приподнять себя и брата, как требовалось этикетом, стремительно вскочил со своего места, сам приподнял царскую шапку и заговорил скороговоркой обычный привет…»
С женитьбой в январе 1689 г. «младшего» царя Петра Алексеевича на Евдокии Лопухиной вновь обострилось противостояние придворных группировок. По традиции мужчина, вступивший в брак, считался полностью совершеннолетним и избавлялся от любой опеки. Приближенные Софьи увидели в этом опасный симптом, угрожавший ее регентству. Вероятно, тогда же при дворе возникает идея об официальной коронации царевны. Инструментом давления вновь должны были выступить стрельцы.
Финал конфронтации наступил достаточно неожиданно. Ночью 7 августа 1689 г. Пётр, узнав о возможном нападении отряда стрельцов, покинул Преображенское и скрылся в ближайшем лесу. Информация, как позже выяснилось, оказалась недостоверной, однако царь оказался охвачен страшными воспоминаниями семилетней давности. В ужасе он оседлал коня и в окружении верных друзей устремился к Троицкой обители, стены которой могли укрыть от любой опасности. Остается только гадать, была ли это чья-то провокация или нет, но она резко ускорила ход событий.
На следующий день в лавру приехали мать и супруга Петра со свитой, потешные полки, некоторые подразделения стрельцов. Вскоре вокруг Троице-Сергиевой лавры собрались сторонники Петра, приехал Патриарх Иоаким, явились по вызову царя командиры солдатских и стрелецких полков вместе со своими войсками, прибыли руководители приказов, бояре, дворяне. В конце концов, оставшись почти в полном одиночестве, Софья отказалась от борьбы. Вернувшись в Москву в сентябре, Пётр отправил опальную царевну в Новодевичий монастырь. Здесь она находилась до самой своей смерти в 1704 г. Князь В. В. Голицын был лишен всех чинов и отправлен вместе с семьей на север – в Каргополь. Полновластным же правителем Пётр I станет в 1696 г., после смерти своего сводного брата-соправителя Ивана V.