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. Энциклопедию права он прошёл с профессором Андреевским.
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. С 1863 года преподавателем государственного права его был Б. Н. Чичерин. Он блестяще сдал экзамены по государственному праву и, по отзывам Чичерина, обещал стать самым образованным и либеральным монархом не только в русской истории, но и во всём мире. 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. С 20 октября 1864 г. он лечился в Ницце. Весной 1865 г. его состояние начало ухудшаться. 10 апреля 1865 г. в Ниццу прибыл Александр II. Ночью 12 апреля после четырехчасовой агонии великий князь скончался от туберкулёзного менингита.
Тело скоропостижно скончавшегося от туберкулёза наследника престола из Ниццы в Петербург сопровождал известный русский поэт генерал-губернатор Юго-Западного края генерал-адъютант Анненков. Тело наследника было отправлено в Россию на фрегате «Александр Невский».
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 выполняющей свой долг императрицы и заинтересованной в окружающих событиях, но родные знали, что со смертью старшего сына «из неё вынули душу».
В 1865 г. присутствовавший при кончине великого князя знаменитый поэт князь Петр Андреевич Вяземский написал посвященное его памяти стихотворение «Вечером на берегу моря» и опубликовал брошюру «Вилла Бермон» с описанием последних дней наследника. В брошюре поэт предложил возвести в Ницце храм, посвященный памяти покойного. Уже в 1868 г. в Ницце была возведена посвященная великому князю часовня, а в 1903-12 гг. в городе архитектором М. Т. Преображенским был построен пятиглавый собор Святителя Николая Чудотворца, который неоднократно был признан красивейшим православным храмом за пределами России.
Император Александр III назвал своего старшего сына и наследника, родившегося через три года после кончины Цесаревича Николая Александровича, в честь своего старшего брата, которого он любил «больше всего на свете». Спустя 26 лет этот мальчик станет Николаем II.
Результаты греческого плебисцитаВ 1862 году, после свержения в Греции в результате восстания правящего короля Оттона I (из рода Виттельсбахов), греки провели в конце года плебисцит по выбору нового монарха. Бюллетеней с кандидатами не было, поэтому любой подданный Греции мог предложить свою кандидатуру или вид правления в стране. Результаты были обнародованы в феврале 1863 года.
Среди тех кого вписали греки был и Николай Александрович, он занял пятое место и набрал менее 1 процента голосов. Правда следует признать, что представители российского, британского и французского царствующих домов не могли занимать греческий трон согласно Лондонской конференции 1832 года.
Чины и звания- Прапорщик и корнет (Выс. пр. 22.08.1850);
- Поручик (Выс. пр. 1851);
- Атаман всех казачьих войск (19.02.1855);
- Штабс-ротмистр (Выс. пр. 1855);
- Ротмистр «за благонравие» (Выс. пр. 17.04.1858);
- Флигель-адъютант (Выс. пр. 08.09.1859);
- Генерал-майор Свиты (Выс. пр. 08.09.1862).
Награды- Орден Святого Андрея Первозванного (10.09.1843);
- Орден Святого Александра Невского (10.09.1843);
- Орден Белого орла (10.09.1843);
- Орден Святой Анны 1-й ст. (10.09.1843).
Иностранные:
- Испанский орден Золотого руна (1857);
- Шведский Орден Серафимов (20.09.1859);
- Австрийский Орден Святого Стефана, большой крест (1860).