Николай Александрович был вторым ребёнком (после его сестры Александры) и любимым старшим сыном-наследником, родившимся у будущего императора Александра II (в то время Цесаревича Александра) и его юной супруги Марии Александровны. Он родился в Царском Селе 20 сентября по новому стилю и был назван в честь его деда — императора Николая I. По воспоминаниям Великой Княжны Ольги Николаевны — родной сестры Александра II и тёти новорожденного — их отец, император Николай I, был так взволнован и растроган рождением внука-престолонаследника, наречённого его именем, что призвал трёх своих младших сыновей — Великих Князей Константина, Николая и Михаила, — повелел им преклонить колена перед колыбелью будущего наследника Российского Престола и принести ему клятву верности.
Мальчик рос всеобщим любимцем, отличался умом, приятной внешностью и характером. Родители и дедушка с бабушкой не чаяли в нём души, особенно страстно была привязана к нему мать — Мария Александровна. Из братьев и сестер Николай был наиболее близок со следующим за ним по возрасту (на два года младше) братом Александром — будущим императором Александром III.
В 1855 году скончался дед юного Николая — 11-й император Всероссийский Николай I Павлович. На престол взошел его отец, император Александр II, и двенадцатилетний мальчик становится Цесаревичем Николаем Александровичем — Наследником Российского Престола.
В начале 1860-х годов Цесаревич Николай Александрович в сопровождении своего воспитателя графа С. Г. Строганова совершил ознакомительные поездки по стране.
Таганрог наследник престола Николай Александрович посетил 14 августа 1863 года. Он побывал в Успенском соборе, Дворце Александра I, Иерусалимском греческом монастыре, осматривал памятник Александру I и принял участие в обеде, данном в его честь. Местный архитектор Трусов в 1862 году специально к приезду в Таганрог наследника престола составил проект деревянной резной беседки, которую выполнил член садового комитета Аргиропуло. В беседке 14 августа 1863 года устроили торжественный обед, на котором присутствовал двадцатилетний наследник Николай Александрович.
В 1864 он поехал за границу. Во время пребывания за границей 20 сентября 1864 года — день своего рождения, в который ему исполнился 21 год — Цесаревич Николай Александрович был помолвлен с дочерью Христиана IX, короля Датского принцессой Дагмар (1847—1928), впоследствии ставшей супругой его брата, императора Александра III. Однако в путешествии по Италии Цесаревич неожиданно для всех заболел и умер в апреле 1865 года во Франции от туберкулёзного менингита.
Тело скоропостижно скончавшегося от туберкулёза наследника престола из Ниццы в Петербург сопровождал известный русский поэт, генерал-адъютант, генерал-губернатор Юго-Западного края, Николай Анненков.
Неожиданная кончина молодого наследника престола потрясла Российскую Империю и семью Романовых. По свидетельству Великой Княжны Ольги Николаевны, оставленному в её биографических воспоминаниях «Сон юности», после смерти Цесаревича его мать, императрица Мария Александровна только внешне оставалась собранной, неукоснительно выполняющий свой долг императрицы и заинтересованной в окружающих событиях, но родные знали, что со смертью старшего сына «из неё вынули душу».
Император Александр III назвал своего старшего сына и наследника, родившегося через три года после кончины Цесаревича Николая Александровича, в честь своего любимого старшего брата. Спустя 26 лет этот мальчик станет Николаем II.
Портрет великого князя Николая Александровича (Зарянко С.К., 1851).
Николай Александрович. Фото С.Л. Левицкого, 1863.
Цесаревич Николай Александрович. Художник Лютовченко, 1865.
Наследник цесаревич Николай Александрович с невестой, принцессой Дагмар, 1865
Николай Александрович, 1865
Мемориальная часовня в Ницце. Арх. Д. И. Гримм
До революции великому князю Николаю Александровичу небольшие памятники были установлены в городах: