Николай Ядринцев родился в Омске, в купеческой семье. В 1851 году переехал вместе с родителями в Томск. Учился с 1854 года в Томской мужской гимназии. В возрасте 17-ти лет уехал в Санкт-Петербург, где стал вольнослушателем университета. Там познакомился с Г. Н. Потаниным и С. С. Шашковым. Принимал активное участие в основании и деятельности землячества студентов-сибиряков, в среде которых зародились идеи сибирского патриотизма. В 1862 году печатался в «Искре» и «Русском слове».
В 1863 году Ядринцев вернулся в Омск, работал учителем, совместно с Потаниным был организатором литературных чтений.
Вслед за Потаниным в 1864 году переехал в Томск, где сотрудничал в газете «Томские губернские ведомости». Опубликовал там же статьи «Сибирь перед судом русской литературы», «Этнологические особенности сибирского населения».
В 1865 году вместе с Г. Н. Потаниным, Е. Я. Колосовым, А. П. Щаповым был арестован по делу «Общества Независимости Сибири» (делу о злоумышленниках, имевших целью отделить Сибирь от России и образовать в ней республику по образцу Северо-Американских Соединенных Штатов). 2 года провёл в Омской тюрьме. Находясь в заключении, не прекращал литературных работ. Позднее написал книгу «Русская община в тюрьме и ссылке». В 1868 году был признан виновным в намерении отделить Сибирь от России и сослан в Шенкурск, Архангельской губернии.
В 1874 году получил помилование и переехал в Санкт-Петербург, где устроился секретарём к местному председателю комиссии по тюремному надзору. В 1876 году переехал в Омск, где состоял на государственной службе до 1880 года.
В 1878 году совершил первую комплексную экспедицию на Алтай как член Западно-Сибирского отдела Русского географического общества, изучал постановку переселенческого дела, собрал этнографический и ботанический материалы. В 1880 году в результате его второй экспедиции были составлены географические карты Телецкого озера, реки Чуи и её притоков, проведено много антропологических исследований. В 1881 году был награждён золотой медалью Императорского русского географического общества. Ядринцев посетил почти все районы Алтая, включая центральную и высокогорную области. Его статьи «О мараловодстве на Алтае», «Поездка по Западной Сибири и в Горно-Алтайский округ» и другие представляют научную ценность и в наши дни.
В 1881 году вернулся в Петербург, где в 1882 году вышел самый значительный и актуальный труд Ядринцева «Сибирь как колония». 1 апреля 1882 основал в Петербурге газету «Восточное обозрение». В 1888 году по причине финансовых затруднений перевёл газету в Иркутск.
В литературных сочинениях тяготел к лирико-публицистическим жанрам, в частности, к путевым очеркам, которые нередко носили обличительный характер. Выступал как критик и литературовед: статьи «Судьба сибирской поэзии и старинные поэты Сибири», «Начало печати в Сибири», о творчестве Н. В. Гоголя, И. С. Тургенева, Н. И. Наумова, С. Я. Елпатьевского и др.
Во время экспедиций (1886, 1889, 1891) в Минусинский край и к верховьям Орхона открыл развалины Хара-Балгаса и древней монгольской столицы Каракорума, а также памятники древнетюркской письменности с дублированием тюркского текста китайскими иероглифами, что сделало возможным их расшифровку В. Томсеном.
В 1894 году, по личной просьбе, Ядринцев был назначен заведующим статистическим отделом Управления Алтайского горного округа. Прибыв в Барнаул, 7 июня из-за безответной любви будучи в состоянии аффекта, он покончил жизнь самоубийством — принял яд в доме купца Сулина. Похоронен на Нагорном кладбище в Барнауле, гранитный памятник изготовлен на Колыванской шлифовальной фабрике по проекту архитектора Шулева.
Последние дни писателя отражены в документальной повести И. П. Кудинова «Шесть дней в июле».
Жена — Ядринцева (Баркова) Аделаида Федоровна, дочь — Доброва-Ядринцева Лидия Николаевна.
Именем Ядринцева названы улицы в Омске, Новосибирске (ул. Ядринце?вская), Иркутске, Барнауле. Его имя носит село Увало-Ядринцево (Любинский район, Омская область).