Nicolas-Frédéric-Pierre est le fils aîné du grand-duc Auguste d'Oldenbourg, et le seul enfant issu de son deuxième mariage avec Ida d'Anhalt-Bernbourg-Schaumbourg-Hoym. Sa mère meurt alors qu'il n'a pas un an. Il étudie à Leipzig à partir de 1846, mais son père le rappelle auprès de lui en , alors qu'une révolution secoue l'Allemagne. Cet événement influence durablement les idées politiques du jeune Pierre, et marque le début de son implication dans le gouvernement du grand-duché. Une fois la situation apaisée, il quitte le pays en 1850 pour se rendre en voyage d'études en Italie, en Turquie et en Grèce, pays dont sa demi-sœur Amélie est la reine.