Микола Костомаров з'явився на світ до взяття шлюбу місцевого поміщика Івана Петровича Костомарова з кріпачкою і за законами Російської імперії став кріпаком свого власного батька.
Обвінчалися батьки Миколи Костомарова у вересні 1817 року, вже після народження сина.
Раптова смерть батька (14 липня 1828 р.) поставила його родину в скрутне юридичне становище. Народжений поза шлюбом, Микола Костомаров як кріпак батька у спадок переходив тепер його найближчим родичам — Ровнєвим.
Коли Ровнєви запропонували Тетяні Петрівні за 14 тисяч десятин родючої землі вдовину частку — 50 000 карбованців асигнаціями, а також волю синові, вона погодилася без зволікань.
З 10 років М. Костомарова відправили навчатися до Московського пансіону, а згодом до Воронезької гімназії, яку той закінчив 1833 р.
1833 р. М. І. Костомаров вступає на історико-філологічний факультет Харківського університету. Вже у цьому навчальному закладі він проявив непересічні здібності до навчання.
В університеті Микола Костомаров вивчав стародавні й нові мови, цікавився античною історією, німецькою філософією і новою французькою літературою, учився грати на фортепіано, пробував писати вірші. Зближення з гуртком українських романтиків Харківського університету незабаром визначило його захоплення переважно фольклором і козацьким минулим України.
У ті роки у Харківському університеті відвідував гурток студентів, захоплених збиранням зразків української народної пісенної творчості.
Костомаров в університетські роки дуже багато читав. Перевантаження позначилося на його здоров'ї — ще за студентства значно погіршився зір.
Після закінчення університету (1837 р.) Костомаров пішов на військову службу, був юнкером у Кінбурзькому драгунському полку в Острогозьку та став істориком полку.
Уже в харківський період життя Костомаров став схилятися до думки про те, що серед слов'янських народів саме українському належить особлива місія у справі визволення всіх слов'ян від імперського деспотизму і кріпосницького рабства. У віршах і поемах тих років він оспівує князівські і козацькі часи України. Свої поетичні твори Костомаров друкує в різних альманахах і видає у вигляді збірників «Українські балади» (1838 р.) і «Гілка» (1840 р.) під псевдонімом «Ієремія Галка». Тоді ж під впливом творчості Вільяма Шекспіра створює історичну драму «Сава Чалий» (1838 р.) і трагедію «Переяславська ніч» (1841 р.).
1840 року Костомаров склав магістерські іспити й розпочав підготовку дисертації на тему Берестейської унії 1596 року. Але робота («Про причини і характер унії в Західній Росії») не була захищена через урядову заборону. Дисертація побачила світ у 1841 році окремою книгою і набула широкої відомості.
Друга дисертація Миколи Костомарова, підготовлена через півтора року, називалася «Про історичне значення руської народної поезії», ідеологічних нарікань не викликала і була успішно захищена 1844 року. Костомаров здобув звання магістра й мав змогу зосередитися на науковій і педагогічній праці. Темою його нового дослідження стала історія Богдана Хмельницького.
Навесні 1847 року Костомаров був викладачем російської історії, а з 1 серпня — ад'юнкт-професором. З цього часу Костомаров заглибився в масштабну роботу з вивчення історії України. Тоді ж Костомаров зблизився з видатним київським релігійним філософом Петром Авсеньєвим. Його філософсько-психологічні праці (зокрема, в галузі етнопсихології) справили величезне враження на Костомарова.
У 1864 році отримав вчений ступінь доктора російської історії.
Яскрава фігура Костомарова приваблювала багатьох молодих киян, зокрема Василя Білозерського, Миколу Гулака, Пантелеймона Куліша й Опанаса Марковича. У грудні 1845 — січні 1846 року вони створили слов'янофільсько-українське Кирило-Мефодіївське братство, до якого незабаром приєднався і Тарас Шевченко. Своє завдання братчики бачили в поширенні передових ідей «слов'янської взаємності».
Програмні документи кирило-мефодіївців (насамперед написана Костомаровим «Книга буття українського народу») відображають вплив документів польського визвольного руху, зокрема «Книги народу польського і польського пілігримства» Адама Міцкевича (1832 р.). Не менший вплив на історико-політичне мислення братчиків справила й «Історія русів».
Оформившись в ідейному плані, кирило-мефодіївці мали намір перейти до практичної діяльності, пропагуючи свої переконання серед населення. При цьому Гулак, близький до декабристського радикалізму Павла Пестеля, не виключав застосування насильницьких методів боротьби, а Шевченко навіть мріяв про народне повстання.
Але до практичної діяльності братчиків справа не дійшла. Студент Петров, підслухавши їхні розмови у березні 1847 року написав донос попечителю Київського навчального округу генерал-майору Траскіну. Донос негайно переправили до Петербурга начальнику III відділення Його імператорської величності власної канцелярії графу Орлову. 17 березня Орлов повідомив про зібрання наступникові престолу Олександрові Миколайовичу з проханням дозволити арешти в Києві.
У ніч на 30 березня 1847 року Костомарова взяли під варту і відправили до Петербурга.
24 червня 1848 року, відбувши рік у Петропавловській фортеці, Костомаров був засланий у Саратов. Там Костомаров знову вдався до наукової роботи і завершив монографію, присвячену Богдану Хмельницькому. Тоді ж почав писати про побут у Московській державі XVI–XVII століть. Для цієї роботи він, за звичкою, вже не обмежувався наявною літературою, а вирушав у етнографічні поїздки, збираючи стародавні пісні й перекази, одночасно знайомлячись із життям розкольників та інших сектантів.
У 1857-му він вирушив за кордон, побував у Швеції, Німеччині, Швейцарії, Франції й Італії. У Празі зустрівся з патріархом чеського слов'янофільства Вацлавом Ганкою.
У 1858 році повернувся до Петербурга і продовжив свої наукові пошуки.
У 1859 році він прийняв запрошення очолити кафедру російської історії Петербурзького університету. Вступна лекція в університеті запам'яталася йому над усе: «Скупчення публіки було величезне; кілька державних осіб відвідали мою лекцію. По закінченні читання знялися гучні овації, а потім юрба молодих людей підхопила мене на руки і винесла з університетського приміщення до екіпажа». Хтось із сучасників точно помітив: «Лекції Костомарова кликали на площу!». Вплив ученого на петербурзьку інтелігенцію був величезним. На кожній лекції — стовпотворіння; у себе вдома по вівторках він збирав цвіт російської культури.
Костомаров напружено працював, розбирав і аналізував архівні матеріали, багато публікувався у найпопулярніших тоді журналах «Современник», «Вестник Европы», «Отечественные записки» і «Русское слово». У 1860 році він опублікував статтю з критикою норманської теорії походження Русі в журналі «Современник», у якій заперечував скандинавське походження варягів та виводив їх із Жмуді. У відповідь на статтю, Михайло Погодін, який стояв на норманістських позиціях, написав йому листа, в якому викликав його на публічний диспут.
Костомаров погодився, і 19 березня 1860 року в Петербурзькому університеті відбувся публічний диспут.
У 1861–1862 роки Микола Іванович підтримував зв'язки з багатьма ліберальними та демократичними діячами, листувався з Олександром Герценом і регулярно друкувався в його альманасі «Колокол» (Лондон). На сторінках «Колокола» без цензурних обмежень Костомаров зміг опублікувати гострі історико-публіцистичні статті «Правда москвичам про Русь» і «Правда полякам про Русь».
В обстановці поляризації суспільства, що настала за селянською реформою 1861 року, Костомаров не приєднався ні до революційного, ні до консервативного таборів. Цим він налаштував проти себе обидва табори. Після викликаного студентськими заворушеннями 1861 року закриття Петербурзького університету, кілька його професорів, серед них і Костомаров, організували в приміщенні Міської думи систематичне читання лекцій. Однак на «неслухняних» щодо влади викладачів посипалися утиски, а потім і заборона на такого роду несанкціоновані виступи.
На знак протесту Костомаров 1862 року подав у відставку і більше до викладацької роботи не повертався. 1863 року він дістав запрошення очолити кафедру в Київському університеті, 1864-го аналогічний виклик прийшов з Харкова, а 1869 року його знову запросили в університет святого Володимира. Але російський уряд не дозволив Костомарову відновити викладання.
Костомаров цілком зосередився на дослідницькій роботі. З 1863 р. він бере активну участь у періодичному виданні томів зібрання документів з історії України та Білорусі XIV—XVII століть («Акти, що стосуються історії Південної і Західної Росії, зібрані і видані Археографічною комісією»).
Написав понад 300 історичних, публіцистичних і літературних творів. Основними працями його життя стали «Богдан Хмельницький» (перше видання — 1857 р., третє, вже в 3 томах, — 1876 р.), «Руїна» (1879 р.–1880 р.), про трагічні події, що настали після смерті Хмельницького, «Мазепа» і «Мазепинці» (1882 р. – 1884 р.), а також фундаментальна праця «Російська історія в життєписах її найважливіших діячів» (1874 р. – 1876 р.), де представлені критичні біографії основних героїв давньоруської, української та російської історії. Власне історії Росії, крім згадуваної роботи про повстання Степана Разіна, присвячене «Північноруське народоправство» (1863 р.) і «Непевний час Московської держави» (1866 р.). Особливий інтерес представляє його наукова розвідка «Останні роки Речі Посполитої».
У 1873 році розлучені долею багато років тому Микола Костомаров і Аліна Крагельська (мати трьох дітей) зустрілися знову. 9 травня 1875 вони обвінчалися і 10 років, до самої смерті Костомарова, прожили разом.
У 1872 від напруженої роботи в Костомарова стали сильно боліти очі. Він говорив, що пропадає від бездіяльності. Саме тоді в нього зародилася думка надиктувати «Руську історію…» для популярного читання.
З 1885 мешкав у Дідівцях на Прилуччині, Чернігівська область.
6 квітня 1885 року здоров'я вченого різко погіршилося. Вранці 7 квітня він помер у своїй квартирі на Васильєвському острові у Петербурзі.
Похований 11 квітня 1885 року на Волковому цвинтарі у Петербурзі.