Историки до сих пор спорят, было ли желание 27-летнего великого князя отправиться в путешествие по европейским странам добровольным или же на нем настояла Екатерина II. Скорее всего Павел не горел желанием покидать Россию, но императрица уж очень хотела держать нелюбимого наследника как можно дальше от престола и задумывалась о том, чтобы сделать будущим императором своего внука Александра. Возможно, поэтому она не пожалела средств и выделила на поездку Павла 330 тысяч рублей золотом. При этом она категорически запретила ему посещать Берлин и двор короля Фридриха Великого, опасаясь, что пропрусские настроения цесаревича помещают ее планам сближения с Австрией.
Получив последние указания от матери, 18 сентября 1781 года Павел вместе с женой Марией Федоровной выехал из Царского села. Неофициальный характер их поездки подчеркивало то, что они путешествовали под именами графа и графини дю Нор (в переводе с французского Du Nord «Северные»). Сопровождала царственную пару небольшая свита, состоящая из аристократов и интеллектуалов, не понаслышке знакомых с заграничной жизнью.
Первые недели пути прошли через Псков, Полоцк, Могилев и Киев. Красоты последнего особенно удивили Павла. Народ с радостью встречал цесаревича. Французский дипломат маркиз Шарль де Верак писал: «Люди толпами бежали навстречу августейшим путешественникам, приветствовали их и едва не бросались под колеса их экипажа». Впереди всех ехал капитан императорского флота Сергей Плещеев. Он выбирал место для ночлега, организовал быт великокняжеских особ. Впоследствии он составил подробное описание поездки Павла и его свиты c указанием всех мест, где они остановились, и количеством проделанных путешественниками верст.
К середине октября они достигли пределов Польши. В Вишневецком дворце в честь графа и графини Северных был устроен бал. Затем прибыли в Олеско, где посмотрели Олеский замок, помнящий рождение короля Польши Яна III Собеского. В столице Силезии Троппау путешественников лично встретил император Священной Римской империи Иосиф II. В его карете Павел Петрович вместе с супругой продолжили путь в Вену. Здесь Марию Федоровну с нетерпением ожидали ее родители, Фридрих Евгений Вюртембергский и Фридерика Доротея София Бранденбург-Шведтская. Встреча с ними получилась очень теплой. Не менее радушным оказался и императорский прием. Павел настолько расположил к себе Иосифа, что тот сообщил ему тайные сведения, касающиеся союза с Екатериной, о которых Павел, избавленный своей матерью от государственных дел, не имел представления.
Вечером 10 ноября обожавший театральные представления цесаревич посетил национальный театр. Его супругу, как только она появилась в ложе, встретили громогласными аплодисментами. Также в ноябре в Бургтеатре планировали представить для Павла пьесу Шекспира «Гамлет». Однако австрийский актер Иоганн Франц Иероним Брокман отказался исполнять главную роль. Намекая на дворцовый переворот и загадочную смерть отца Павла Петра III, он заявил, что не хочет, чтобы в зале было одновременно два Гамлета.
Театральные постановки, балы, маскарад, охота, посещение заводов, маневров и парадов — программа пребывания Павла в Вене оказалось весьма насыщенной. В конце декабря семейство дю Нор покинуло императорский двор и через Триест добралось до Венеции. Здесь в их честь прошли роскошные празднества, в ходе которых над пьяццей Сан Марко пролетел искусственный голубь, рассыпая искры света на лету. Гостей также развлекали регатой на Большом Канале, знакомством со знаменитыми венецианскими художниками. Павлу очень понравилось в Светлейшей. Особенно он отметил, насколько мудрым является правление республики, где народ и правительство — практически одна семья.
Посетив Падую, Феррару и Болонью свита Павла прибыла в Рим, но остановилась в «вечном городе» всего на два дня, так как планировала подробно его рассмотреть на обратном пути. К концу января путешественники приехали в Неаполь, где поднимались на Везувий, несколько раз осмотрели Помпеи и Геркуланум, ознакомились с археологическими раскопками.
Из Неаполя вскоре вернулись в Рим. «Экскурсоводом» по древнему городу для Павла и его жены выступил глава французского посольства, большой любитель поэзии и искусства кардинал де Берни. Вместе с ним граф и графиня осмотрели Колизей, Римский Форум, заглянули в Пантеон, посетили музеи Ватикана и собор Святого Петра. Папа римский Пий VI устроил для Павла Петровича и Марии Федоровны аудиенцию. На приеме он подарил им мозаику «Вид Колизея» в нарядной бронзовой раме итальянского мастера Чезаре Агуатти.
По пути во Флоренцию Павел посетил усадьбу кардинала Алессандро Фарнезе в Капрароле. Палаццо привело наследника в восхищение. Замок Капраролы стал прообразом Михайловского замка, строительство которого началось в Петербурге в 1797 году.
Во Флоренции Павла Петровича встретил герцог Тосканы Леопольд, брат Иосифа II. С ним он впервые за все время поездки серьезно заговорил о политике и выразил недовольство завоевательскими амбициями своей матери. По его мнению, Россия и так достаточно велика, и вместо того, чтобы расширять ее территории, необходимо заниматься внутренними проблемами. Леопольд деликатно отклонился от какого-либо ответа на эту тираду. В послании к своему брату он описал Павла следующим образом: «Граф Северный, кроме большого ума, дарований и рассудительности, обладает талантом верно постигать идеи и предметы и быстро обнимать все их стороны и обстоятельства. Из всех его речей видно, что он исполнен желанием добра».
После Флоренции были Парма, Милан и Турин. Затем путешественники пересекли территорию Франции, провели около недели в Лионе. Французы в первую очередь обратили внимание на непривлекательную внешность великого князя из России. В Записках Башомона можно прочесть: «На каждом шагу до слуха его (Павла) доходили отзывы, в роде этого: «Ах! Какой дурнышка!». Все это он сносил спокойно и по философски».
7 мая 1782 года приехали в Париж. Через несколько дней великокняжеская чета была представлена королю Франции Людовику XVI. Двор пришел в восторг от образованности Павла и его знания французского языка. Вместе с супругой он посетил Comedie Francaise, встретился с Пьером Огюстеном Бомарше, который читал им еще рукописный вариант «Женитьбы Фигаро». Ее величество Мария Антуанетта устроила для знатных особ роскошный праздник в Версале. Кроме всевозможных развлечений Павел совершил осмотр парижских больниц, кварталов бедняков, тюрем. Когда у великого князя поинтересовались, для чего он это делает, Павел ответил: «Чем дальше вы по положению от несчастных и низких людей, тем ближе следует подходить к ним, чтобы узнать и понять их».
7 июня цесаревич и его свита покинули Париж и через Орлеан, Амьен и Лилль достигли Брюсселя. Здесь Павел поведал мистическую историю о том, как встретил призрак Петра Великого на том самом месте в Петербурге, где Екатерина II готовилась поставить конный памятник императору работы Фальконе. «Что же эта история значит?» — спросили у Павла. «Я умру в молодых летах», — ответил он.
21 июня 1782 года путешественники прибыли в Этюп, где провели более месяца в гостях у родителей Марии Федоровны. Затем супруги побывали в Швейцарии, а оттуда приехали в Вену. После новой дружественной встречи с Иосифом II великокняжеская чета осенью отправилась домой. Путь лежал через Краков, Гродно, Ригу и другие города. 20 ноября все компания вернулась Санкт-Петербург. Екатерина встретила сына без восторга и не устраивала по этому случаю никаких торжеств.
Ничто из увиденного великим князем во время его вояжа не осталось забытым. Поразившие Павла произведения искусства и архитектуры в ближайшем будущем нашли свое отражение в облике его дворцов. Например, люстры, бра, жирандоли и другие детали интерьера Михайловского замка воссоздали серебряные рельефы зеркал венецианского театра Сан Бенедетто. Во время своего путешествия Павел Петрович и Мария Федоровна, не жалея средств, покупали и получали в дар произведения искусства. В результате они вернулись домой с уникальной коллекцией живописи, графики, фарфора, мебели и украшений. Это собрание оказало большое влияние на русскую культуру.
Отправляя Павла в Европу, Екатерина II, возможно, хотела показать европейским правителям слабость своего сына, которую сама видела в нем. Однако реакция получилась совершенно иной — Европа увидела в великом князе достойного наследника, способного управлять своей страной. «Признаюсь, что известия об их успехах превзошли мои ожидания», — написала она в ответ на многочисленные рассказы о том, какой фурор имел Павел при французском дворе. Впервые вырвавшийся из-под опеки Екатерины великий князь получил возможность лично познакомиться с европейскими монархами и многому у них научиться. Сам он вступит на свой престол только через 14 лет после завершения своего гран-тура. Покорив своим умом Европу, ему не удалось покорить российское дворянство и офицерство, которое и устранило его в ночь на 12 марта 1801 года в Михайловском замке.