Николай родился 4(16)мая 1817  года в слободе Юрасовке Острогожского уезда Воронежской губерни (ныне село Юрасовка, Ольховатского района Воронежской области). Отец — дворянин-помещик, мать — крестьянская девушка, прежде крепостная его отца, учившаяся в одном из московских пансионов. Позднее отец Костомарова женился на ней, но Костомаров родился до брака, и хотя отец собирался усыновить его, но не успел этого сделать.

  Жил и воспитывался мальчик в отеческом барском доме, рос без завозных гувернеров, больше под опекой отца и матери. Иван Петрович старался приучить сына, вспоминает Николай Иванович, "к жизни, близкой с природою: он не дозволял меня кутать, умышленно посылал меня бегать в сырую погоду, даже промачивать ноги, и вообще приучал не бояться простуды и перемен температуры”. Научил читать и с "нежных” лет стал внушать сыну "вольтерианское” неверие. Но именно этому всячески противодействовала мать, как женщина верующая. На всю жизнь запомнятся Николаю Ивановичу родные места. Много позже он тепло будет воссоздавать их в слове. "За рекою, текшею возле самой усадьбы, усеянною зелеными островками и поросшею камышами, возвышались живописные меловые горы, испещренные черными и зелеными полосами; от них рядом тянулись черноземные горы, покрытые зелеными нивами, и под ними расстилался обширный луг, усеянный весною цветами и казавшийся мне неизмеримым живописным ковром”.

  В доме Костомарова читали и любили сочинения русских писателей, прежде всего – поэта Жуковского. Имя Пушкина, по признанию историка, стало для него "священным на всю жизнь”.

  Отец охотно встречался со своими соседями – помещиками, брал с собой сына. Так что можно смело предположить: бывал в соседней Удеревке (ныне Алексеевский район Белгородской области). Коленька играл со своим тезкой Станкевичем, который в своей короткой жизни откроет поэтический дар Алексея Кольцова, поможет издать первый сборник его стихов. В возрасте свои литературные вещи Костомаров станет подписывать именем-псевдонимом Богучаров. Видимо, уездный городок на юге Воронежской губернии тоже запомнился ему в детстве. Дело в том, что там жил родственник помещик "Иван Григорьев сын Ровнев”.

  В десятилетнем возрасте Коля попадает в Москву. Отец определил сына на воспитание в частный пансион. Учиться в Москве Николаю Костомарову выпало недолго. Он заболел, его на время забрали домой в деревню. "…между тем над головой моего отца готовился роковой удар, долженствовавший лишить его жизни и изменить всю мою последующую жизнь”. 14 июля 1828 года сын осиротел. Этот день отмечен внезапной трагической кончиной его отца. По первоначальной версии, отец погиб вроде бы случайно. На прогулке в лесу лошади напугались и понеслись с дрожками вниз по крутогору, перевернулись. От удара копытом, так что в голову "впечаталась” лошадиная подкова, пан погиб. Случилось это поздним вечером. И в эту же страшную для семьи ночь в доме пропали большие деньги. Отец собирался узаконить усыновление Коленьки. А раз он не успел это сделать, то вскоре появились иные законные наследники – племянники ровневы, потеснившие Татьяну Петровну. Они взяли ее в судебный оборот, пригрозили, что не дадут "вольную” ее сыну, оставят его крепостным.

  Один из Ровневых сразу повелел Николаю "быть на своем месте, в прихожей”. Бедный мальчик не понимал, почему он из барчука превращается в "казачка”. Лакеи злорадствовали: "Полно барствовать, Николашка, - ты ведь такой же холоп, как и мы”. А Ровнев кричал: "Не отпущу на волю, поверну его в лакеи: пусть будет на своем месте”.

  Новые совладельцы имения предложили Татьяне Петровне не мечтать о выдаче ей законной вдовьей доли имущества, если хочет выкупить Коленьку. Участь сына могла быть облегчена при одном условии: бери из наследства, что дают. Грабеж средь бела дня, а пришлось соглашаться "беспрекословно”. Покойный имел 609 крепостных и около 7 тысяч десятин ( по другим источникам – до 14 тысяч десятин, это больше 14 тысяч гектаров) прекрасной земли с богатыми сенокосами и лесами, да "два билета сохранной казны на 75 тысяч рублей ассигнациями”. Татьяне Петровне досталась ничтожная доля из богатств мужа – всего 50 тысяч рублей ассигнациями.

   В одиннадцатилетнем возрасте детство для мальчика, по сути, кончилось. Татьяна Петровна в несчастьях и невзгодах не опустит руки. Она надежно обеспечит будущее своего единственного сына. Хоть и ограбленная родичами мужа, не растеряется, а даже приумножит доставшееся наследство "капитана Костомарова”. Выселится из господского дома, купит другую усадьбу на окраине Юрасовки и обустроит ее.

   Прежде всего она хотела дать сыну образование.Мать везет Николая в Воронеж в частный пансион. Учился он в нем два с половиной года и "к счастью для себя, был из него изгнан за знакомство с винным погребом”. Здесь готовили детей помещиков к военной службе, а Костомарова тянуло в университетские науки. Матушка самолично четырнадцатилетнего недоросля "высекла и долго сердилась”. Вскоре в 1831 году сын попросился на учебу в Воронежскую гимназию. Его приняли сразу в предпоследний третий класс. 1833 год в выпускном четвертом классе на гимназическом собрании шестнадцатилетний Костомаров читает по памяти на латыни Овидия.

  На зимних святках – еще беда. Вновь ограблен дом Костомаровых. Мать лишилась своих сбережений. И в этот же год открылась истинная причина гибели отца. Кучер у церкви на могиле пана принародно покаялся, что убил барина и забрал вместе с двумя лакеями его деньги. Звали кучера Савелий Иванов, он был занесен в "ревизские сказки” за 1795 год. "Савва Иванов сын Лазаря, 24 лет, у него жена Елена , 26 лет, взята у крестьянина моего Алексея Иванова”. Так что кучеру уже было за 60 лет. Носил человек в себе грех годы. Не выдержал. Попросил священника ударить в колокола и прилюдно у могильного креста признался, рассказал о случившемся всю правду.

  Есть еще одна версия этого преступления. Помещик был убит за унижения, на которые был щедр в отношении к крестьянам, за жестокость и наказание без вины виноватых. Это утверждает современный украинский писатель Роман Иванчук в книге "Четвертое измерение”. Об этом же писал и Беляев в брошюре "Как жили крестьяне Воронежской губернии до Великой октябрьской социалистической революции”.

   Итак, в шестнадцать лет Костомаров оканчивает Воронежскую гимназию. Куда идти дальше? В Москву или Петербург из-за недостатка средств мать не могла отправить сына на учебу. Ближайшим к Юрасовке в ту пору культурным центром был Харьков со своим университетом. "В половине августа 1833 года со страхом и трепетом я отправился в Харьков с матерью. Вступительный экзамен сошел как нельзя более благополучно… Радость моя была непомерная”. Уже в первые годы учения сказались блестящие способности Костомарова, доставившие ему, от учителей московского пансиона, в котором он при жизни отца недолго учился. Костомаров много работал, увлекаясь то классической древностью, то новой французской литературы, но работы эти велись без надлежащего руководства и системы, и позднее Костомаров называл свою студенческую жизнь «беспорядочной». Лишь в 1835 году, когда на кафедре всеобщей истории в Харькове появился М. М. Лунин, занятия Костомарова приобрели бо́льшую системность. Лекции Лунина оказали на него сильное влияние, и он с жаром отдался изучению истории. Увлекшись изучением сохранившегося в городе Острогожске, где стоял его полк, архива местного уездного суда, Костомаров задумал писать историю слободских казачьих полков. По совету начальства он оставил полк и осенью 1837 года вновь явился в Харьков с намерением пополнить своё историческое образование.

  Весну 1838 года он провёл в Москве, где слушание лекций Шевырева ещё более укрепило в нём романтическое отношение к народности.

  В эту пору Костомаров сам начал писать по-украински, под псевдонимом Иеремии Галки, и в 1839-1841 годах выпустил в свет две драмы и несколько сборников стихотворений, оригинальных и переводных.

  В 1849 году Костомаров выдержал магистерский экзамен.В 1842 году он напечатал диссертацию «О значении унии в западной России».  Назначенный уже диспут не состоялся вследствие сообщения архиепископа харьковского Иннокентия Борисова о возмутительном содержании книги.  Профессор Н.Г.Устрялов, по поручению министерства народного просвещения разбиравший труд Костомарова, дал о нём такой отзыв, что книгу велено было сжечь.Костомарову дозволено было написать другую диссертацию, и в конце 1843 году он представил в факультет работу под названием «Об историческом значении русской народной поэзии», которую и защитил в начале следующего года.

  Немедленно по окончании своей второй диссертации Костомаров предпринял новую работу по истории Богдана Хмельницкого и, желая побывать в местностях, где происходили описываемые им события, стал учителем гимназии сперва в Ровно, затем(1845) в Первой киевской гимназии. В 1846 году совет Киевского университета избрал Костомарова преподавателем русской истории.  

  В Киеве, как и в Харькове, около него составился кружок лиц, преданных идее народности и намеревавшихся проводить эту идею в жизнь.С целью распространения этих идей дружеский кружок преобразовался в общество, получившее название Кирилло-мефоиевского братства.Студент Петров, подслушавший их беседы, донес на них; они были арестованы весной 1847 года, обвинены в государственном преступлении и подвергнуты различным наказаниям. 

  Костомаров, просидев год в Петропавловской крепости, был «переведён на службу» в Саратов и отдан под надзор местной полиции, причём ему на будущее время воспрещалось как преподавание, так и печатание его произведений. Ссылка указала Костомарову настоящие размеры пропасти, лежавшей между его идеалами и действительностью, но она не убила в нём ни идеализма, ни энергии и способности к работе. В Саратове он продолжал писать своего «Богдана Хмельницкого», начал новую работу о внутреннем быте московского государства XVI-XVII веков, совершал этнографические экскурсии, собирая песни и предания, как прежде на Украине, знакомился с раскольниками и сектантами. В 1855 году ему дозволен был отпуск в Петербург, которым он воспользовался для окончания своего труда о Хмельницком; в 1856 году отменено было запрещение печатать его сочинения и затем снят с него надзор. Совершив поездку за границу, Костомаров опять поселился в Саратове, где написал «Бунт Стеньки Разина» и принимал участие, в качестве делопроизводителя губернского комитета по улучшению быта крестьян, в подготовке крестьянской реформы. Весной 1859 года он был приглашен петербургским университетом занять кафедру русской истории, освободившуюся с выходом в отставку Устрялова. Тяготевшее ещё над Костомаровым запрещение педагогической деятельности было снято по ходатайству министра Б. П. Ковалевского, и в ноябре 1859 года он открыл свои лекции в университете. Это была пора наиболее интенсивной работы в жизни Костомарова и наибольшей его популярности.  

  В эту же пору Костомаров был избран членом археографической комиссии и предпринял издание актов по истории Украины XVII века. Подготавливая эти документы к изданию, он начал писать по ним ряд монографий, которые должны были в результате составить историю Украины со времени Хмельницкого; эту работу он продолжал до конца жизни.

  Выйдя в 1862 году из состава профессоров петербургского университета, Костомаров уже не мог более вернуться на кафедру, так как его политическая благонадежность вновь была заподозрена, главным образом, вследствие усилий московской «охранительной» печати. После всех этих тяжелых ударов Костомаров как бы охладел к современности и перестал интересоваться ею, окончательно уйдя в изучение прошлого и в архивные работы.

  В 1875 году Костомаров перенес тяжёлую болезнь, сильно подорвавшую его здоровье. В этом же году он женился на Ал. Л. Кисель, урождённой Крагельской, которая была его невестой ещё до ареста его в 1847 году, но после его ссылки вышла замуж за другого.

  С неутомимой энергией работал он до самой смерти. Умер 7 (19) апреля 1885 года, после долгой и мучительной болезни. Николай Иванович похоронен в Санкт-Петербурге на Литераторских мостиках Волковского кладбища.