После войны Николай Николаевич был назначен на почётную должность генерала-инспектора кавалерии. Он был, по сути, свадебным генералом и служебными обязанностями заниматься не мог. Он него ушла жена, добившись от нового императора Александра III разрешения удалиться на жительство в монастырь. Здоровье великого князя было подорвано. У него констатировали злокачественную опухоль десны. Очевидно, метастазы проникли в головной мозг, вызвав психическое расстройство. А после смерти возлюбленной Екатерины Числовой болезнь ещё более обострилась. Великий князь был уже не в состоянии контролировать свои поступки и его поместили под домашнее наблюдение. К тому же финансовое положение Николая Николаевича оказалось расстроенным. Он стал банкротом. Его дела была переданы в департамент уделов.
В 1890 году великий князь Николай Николаевич Старший провёл манёвры под Нарвой и на Волыни между войсками Варшавского и Киевского военных округов, в которых участвовало около 130 000 военнослужащих. Это были последние для великого князя маневры.
Николай Николаевич почувствовал себя плохо и по настоянию врачей прямо с маневров из Ровно отправился в Крым, в Алупку.
Возможно, в отместку за его грехи и пренебрежительное отношение к семье и детям, его последние дни были сплошным мучением. Великий князь умер 25 апреля по старому стилю 1891 года в Алупке и был похоронен в Петропавловской крепости в Петербурге, в родовой усыпальнице императорской династии.
После смерти великого князя император Александр III написал цесаревичу Николаю Александровичу: «Эта смерть скорее была желательна; в таком страшно печальном положении находился он все последнее время, почти в полном идиотизме. И для всех окружающих его это была чистая каторга и тяжелое испытание».
Николай Николаевич Старший ничего не смог оставить своим законнорожденным детям: Николаю и Петру. Они фактически остались без крова. У них не было средств, чтобы выкупить у казны родовой дворец, и он окончательно перешёл в собственность государства. В то же время, выманившая у великого князя огромные средства Екатерина Числова оставила своим детям большое состояние в один миллион рублей.
Николай Николаевич Младший родился 6 ноября, по старому стилю, 1856 года в Петербурге, после 9-ти месяцев брака своих родителей. Венчание великого князя Николая Николаевича Старшего и принцессы Александры Петровны состоялось 25 января 1856 года.