El príncipe residió en Laussane (Suiza) y en Estoril (Portugal) hasta que en 1948, cuando tenía 10 años, fue por primera vez a su patria, ya que su padre y el general Franco acordaron que recibiera en España una formación universitaria y militar. Entonces estudió en San Sebastián y terminó el bachillerato en el Instituto de San Isidro de Madrid en 1954. Posteriormente realizó su instrucción militar en la Academia General Militar de Zaragoza (1955-1957), en la Escuela Naval Militar de Marín en Pontevedra (1957-1958) y finalmente en la Academia General del Aire de San Javier (Murcia) (1958-1959). Durante las vacaciones de Semana Santa de 1956, en la residencia familiar de Estoril, a Juan Carlos, que ya tenía 18 años cumplidos, se le dispararía accidentalmente un revólver mientras jugaba con su hermano menor, Alfonso, lo que causaría la muerte de Alfonso. El hermano mayor de Juan y tío de Juan Carlos, Jaime de Borbón, arrepentido de haber renunciado a sus derechos sucesorios, solicitaría más tarde una investigación en profundidad, al considerar que tal suceso podía afectar a la línea sucesoria. En virtud de la Ley de Sucesión en la Jefatura del Estado del 26 de julio de 1947, Juan Carlos fue propuesto como sucesor de Franco a título de Rey, propuesta ratificada por las Cortes Españolas en julio de 1969, ante las que el joven príncipe prestaría juramento de guardar y hacer guardar las Leyes Fundamentales del Reino y los principios del Movimiento Nacional, es decir, el ideario franquista. Siguiendo las reglas dinásticas, la sucesión hubiera debido recaer en su padre, Juan de Borbón y Battenberg, tercer hijo y heredero del rey Alfonso XIII; sin embargo, las no muy cordiales relaciones entre Juan y Franco determinaron el salto en la línea de sucesión, y el nombramiento de Juan Carlos como Príncipe de España, título de nuevo cuño con el que Franco pretendía salvar distancias con respecto a la monarquía liberal. Dicho salto fue aceptado por el príncipe Juan Carlos, creando un conflicto interno en la Casa Real de Borbón. El Conde de Barcelona no renunciaría oficialmente a sus derechos sucesorios hasta 1977, cuando el reinado de su hijo y el fin del régimen franquista eran ya hechos consumados.