Потемкин читал все важные государственные документы и давал по поводу них рекомендации — как правило, дельные. Фактически командуя русской армией, он затеял ее масштабную перестройку и восстановил военный флот, сошедший на нет после смерти Петра. В отношениях с зарубежными странами он добился немалых успехов — к примеру, заключил союз с Австрией, получив за это титул светлейшего князя Священной Римской империи. На приеме по этому поводу Екатерина публично обняла Потемкина и объявила, что в России нет головы лучше, чем у него.

Чтобы успокоить подозрения своего «случая», Екатерина, вполне возможно, пошла на смелый шаг — тайное венчание с ним. Есть версия, что это случилось в июне 1774 года в неприметной церкви Сампсония Странноприимца на Выборгской стороне. Документальных подтверждений их венчания нет, однако именно после этого Екатерина в своих письмах стала называть Потемкина «дорогим мужем», а себя «верной женой». Кульминацией их романа стало длительное путешествие в Москву, где предполагалось отпраздновать победу над турками и исподволь — над Пугачевым, грозное восстание которого только что было подавлено.

Двенадцатого июля 1775 года императрица покинула празднества, сославшись на боль в животе. Появилась она через пару дней похорошевшей и постройневшей. В эти же дни родилась девочка, известная позже под именем Елизаветы Григорьевны Темкиной: воспитывалась она в семье графа Самойлова, и Потемкин проявлял к ней постоянный интерес.

Статус тайного мужа не успокоил Потемкина: он стал вести себя с императрицей еще более свободно, а порой и дерзко. Их встречи становились все реже. А еще Потемкин затосковал, добившись всего в этой жизни, он начал думать, что стремиться больше некуда. Сама, обладая сильным характером, она понимала это противоречие, тем более что императором ему было не стать, а характер не позволял быть просто тайным мужем, и писала ему: «Мы ссоримся о власти, а не о любви», и начала отдаляться от него как женщина, сохраняя как политика. Зима 1776 года (по мнению биографа Потемкина) — самый интенсивный период их отношений: «Они любили друг друга, считали друг друга мужем и женой, но чувствовали, что взаимно отдаляются, и пытались найти способ остаться вместе навсегда. Случалось, что Потемкин плакал в объятиях своей государыни».

Наконец практичность Екатерины взяла верх: она дала понять своему фавориту, что им надо расстаться. По взаимному соглашению было решено, что он покинет дворец, но сохранит право появляться там в любое время и главное — порекомендует Екатерине достойного преемника. Ему были пожалованы новые земли с тысячами крестьян и многочисленные награды. В декабре 1775 года в ее покоях появился генерал Петр Завадовский — мужчина видный, но немолодой, не блещущий талантами и к тому же преданный Потемкину. На следующий год Завадовский, примкнувший к партии Орловых и начавший действовать против Потемкина, потерял привязанность императрицы. Что показательно: заливаясь слезами, отставленный фаворит умолял Екатерину о сохранении ее милости — и милости князя Григория Александровича. После отставки Завадовского до конца ее жизни у Екатерины будет еще лишь 6 официальных фаворитов и все они (кроме последнего, Зубова), были рекомендованы Потемкиным императрице и служили у него адъютантами.

После отъезда из Петербурга в 1775 году Потемкин был назначен генерал-губернатором Новороссии, почти безлюдной из-за татарских набегов. Несколько следующих лет Григорий Александрович почти не появлялся в столице. Ему приходилось делать великое множество дел: от основания крепостей до регулирования цен на товары. Его стараниями на землях Новороссии были отменены некоторые налоги, благодаря чему сюда устремились не только русские и украинские крестьяне, но и иноземцы — греки, болгары, сербы, евреи. Также усилиями Потемкина был создан с нуля Черноморский флот, о котором мечтал еще Петр I. Новые города Одесса и Николаев стали центрами корабельного строительства. В безлюдных степях Новороссии выросли и другие города — Екатеринослав, Херсон, Мариуполь. Русские поселения придвигались все ближе к Крыму.

Потемкин писал Екатерине: «Положите же теперь, что Крым ваш и что нет уже сей бородавки на носу — вот вдруг положение границ прекрасное». В 1783 году последний крымский хан Шагин-Гирей был отрешен от власти. Своим манифестом императрица объявила Крым владением России под именем Таврической губернии, а Потемкину указом императрицы был присвоен титул князя Таврического.

Желая осмотреть новые владения, весной 1787 года Екатерина отправилась в путешествие на юг. Ее сопровождал огромный караван слуг, охраны и иностранных гостей. С Екатериной ехал инкогнито даже император Священной Римской империи Иосиф II, которого ей нужно было убедить стать союзником России. Зрелище превзошло ожидания — там, где раньше расстилалась голая степь, появились многолюдные города, села, распаханные поля. Самые подозрительные иностранцы даже решили, что это — раскрашенные декорации, построенные Потемкиным по приказу царицы.

Путешествие императрицы Екатерины на юг обратилось в торжество Потемкина. Херсон, со своей крепостью, удивил даже иностранцев, а вид Севастопольского рейда с эскадрой в 15 больших и 20 мелких судов был самым эффектным зрелищем всего путешествия.

Звездный час Потемкина стал началом его опалы. Шла трудная война с Турцией, Потемкин сумел за полгода взять только один Очаков. Он жил в Яссах, окруженный азиатской роскошью и толпой раболепных прислужников, но не переставал переписываться с Санкт-Петербургом. После новых успехов своего подчиненного Суворова, в январе 1791 года, Потемкин снова испросил позволения явиться в Санкт-Петербург и в последний раз прибыл в столицу, где считал свое присутствие необходимым в виду быстрого возвышения Платона Зубова.

Явившись с победой в Петербург, он обнаружил, что императрица вежлива с ним, но холодна. Красавец-поручик Платон Зубов познакомился с Екатериной в южном путешествии и постепенно стал самым близким императрице человеком. Ему было 22 года, ей — 60. Став фаворитом, Зубов видел залог прочности своего положения в очернении всех предыдущих «случаев» царицы и прежде всего Потемкина. В вину светлейшему были поставлены и военные неудачи, и непорядки в Новороссии, и казнокрадство его приближенных.

Многие начинания князя принесли пользу Российской империи. Завоевание Крымского ханства, освоение Причерноморья, умелое сдерживание агрессивной военной политики Османской империи, создание Черноморского флота. Как государственный деятель Потемкин был один из столпов государственного здания российской монархии. Его роль выглядит особенно рельефно в сравнении с другими фаворитами Екатерины.

Несмотря на разрыв в личной жизни, благодаря своим способностям Потемкин сохранял дружбу и уважение Екатерины и до самой своей смерти в 1791 году оставался вторым человеком в государстве. Из всех фаворитов он представляет собой исключение: никому, даже Платону Зубову, не уступала императрица из своей власти так много, как Потемкину.

Хотя императрица и уделяла ему все ту же долю участия в государственных делах, но личные отношения ее с Потемкиным изменились к худшему: по ее желанию Потемкин должен был уехать из столицы. По возвращении в Яссы Потемкин деятельно вел мирные переговоры, но болезнь помешала ему окончить их. 5 октября 1791 года, в степи, в 40 верстах от Ясс, Потемкин, собиравшийся ехать в Николаев, умер от перемежающейся лихорадки.