Marele Duce Constantin Nicolaevici a venit pe lume pe 9 septembrie 1827 la Sankt Petersburg, fiind al doilea fiu și al cincilea copil al țarului Nicolae I al Rusiei și al Alexandrei Feodorovna. De regulă, copiii familiei imperiale erau îngrijiți de o guvernantă până la împlinirea vârstei de șapte ani, dar pentru că băiatul era de nestăpânit încă de la cinci ani, tatăl său l-a ales pe amiralul Fiodor Litke să-l disciplineze.
Marele Duce a învățat limbile rusă, engleză, germană și franceză, a studiat matematica, științele, statistica și administrația, iubea muzica, cânta la pian și la violoncel și era foarte interesat de arte.
Când a împlinit opt ani, a primit în dar un iaht mic, pe care putea naviga între Peterhof și Kronstadt, iar la vârsta de 16 ani a fost promovat la rangul de căpitan și a primit comanda fregatei Ulise.
În vara anului 1846, Constantin Nicolaevici a mers în vizită la Altenburg, unde a întânit-o pe Alexandra, cea de-a cincea fiică a Ducelui de Saxa-Altenburg și a Ameliei de Württemberg, vizita fiind aranjată de Marea Ducesă Elena Pavlovna, o mătușă care avea o puternică influență asupra lui.
Marele Duce era un intelectual liberal, în timp ce Alexandra era conservatoare, dar amândoi aveau în comun interesul pentru muzică și obișnuiau să cânte în duet la pian. Tânăra era înaltă, subțire și foarte frumoasă, Constantin devenise nerăbdător să o ia de soție, dar pentru că fata avea doar șaisprezece ani, cei doi s-au logodit, însă au așteptat mai mult de doi ani înainte să se căsătorească.
Alexandra a ajuns în Rusia pe 12 octombrie 1847 și a fost întâmpinată de mulțimi entuziasmate de oameni care se înghesuiau pe străzi și la balcoane să o vadă. În februarie 1848, s-a convertit la ortodoxism, primind numele Marea Ducesă Alexandra Iosifovna, cuplul s-a căsătorit la Palatul de Iarnă din Sankt Petersburg pe 11 septembrie 1848 și a primit ca dar de nuntă Palatul Marble și moșia Strelna din Golful Finlandei, pe care Constantin o moștenise la vârsta de patru ani, care a devenit reședința de la țară a cuplului.
Alexandrei Iosifovna i-a plăcut să se ocupe de grădina de la Strelna și a fondat o școală în grădină, unde preda chiar ea. Tot în grădină se aflau jucării educative pentru copii: un catarg din lemn, o trambulină pentru gimnastică și o replică a uneia dintre fregatele lui Constantin.
La un an după mariaj, Constantin a moștenit de la unchiul său, Marele Duce Mihail Pavlovici, palatul Pavlovsk, situat în apropiere de Sankt Petersburg, și mai târziu, cuplul a primit palatul Oreanda din Crimeea, care fusese construit de țarina Alexandra Feodorovna.
Constantin și Alexandra au avut 6 copii. În 1867, fiica cea mare, Olga, s-a căsătorit cu regele George I al Greciei. Avea numai șaisprezece ani și, inițial, tatăl a fost împotriva ideii unui uniuni atât de timpurie, dar în cele din urmă a acceptat aranjamentul. În iulie 1868, s-a născut primul copil al Olgăi și a fost numit Constantin, însă începutul vieții de familie a fiicei a coincis cu începutul destrămării mariajului părinților.
La sfârșitul anului 1860, Constantin a început o aventură extraconjugală și a avut o fiică nelegitimă, pe Marie Condousso. Curând după nașterea micuței, Marele Duce a început o nouă relație cu o tânără dansatoare de la Conservatorul din Sankt Petersburg, Ana Maria Kuznețova, cu care a avut cinci copii. Balerina era fiica nelegitimă a Tatianei Markianovna Kuznețova și a actorului Vasili Andreievici Karatâgin, avea cu douăzeci de ani mai puțin decât el și, inițial, a rezistat avansurilor, dar în cele din urmă a cedat și i-a devenit amantă. După ce s-au născut primii doi copii ai cuplului, Constantin a cumpărat pentru familia paralelă o dacea confortabilă pe moșia de la Pavlovsk.
În 1874, s-a descoperit că fiul cel mai mare al cuplului Alexandra – Constantin, Marele Duce Nicolae Constantinovici, care avea o viață dezordonată și idei revoluționare, a furat trei diamante valoroase montate pe o icoană din dormitorul mamei, în complicitate cu amanta sa, o curtezană americană. A fost găsit vinovat, declarat nebun și exilat pe viață în Asia Centrală. Cinci ani mai târziu, în 1879, cel mai mic fiu al Alexandrei, Viaceslav, a murit subit din cauza unei hemoragii cerebrale.
La începutul lui august 1889, Constantin a suferit un accident vascular cerebral sever care i-a provocat paralizia piciorului stâng și l-a făcut să-și piardă capacitatea de a vorbi. Ducele neputincios a rămas în îngrijirea soției, care s-a simțit într-un fel răzbunată pentru infidelitățile și umilințele din trecut. Totuși, cu puțin înainte de moartea lui, produsă pe 13 ianuarie 1892, Alexandra a aranjat ca fosta amantă, Anna, să îl viziteze Palatul Pavlovsk și să se roage la patul său. Marea Ducesă i-a supraviețuit 19 ani soțului infidel și s-a stins pe 6 iulie 1911 la Sankt Petersburg, fiind înmormântată în mausoleul din Catedrala Petru și Pavel.