Николай Александрович был вторым ребенком (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, которой незадолго до рождения сына исполнилось девятнадцать лет. Мальчик родился в Царском Селе в канун великого церковного праздника Рождества Пресвятой Богородицы (20 сентября по новому стилю). Новорожденного нарекли в честь его царственного деда — императора Николая I. По воспоминаниям Великой Княжны Ольги Николаевны — родной сестры Александра II и тети новорожденного — их отец, император Николай I, был так взволнован и растроган рождением внука-престолонаследника, нареченного его именем, что призвал трех 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 Николеньке 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 любимый дедушка юного Николая — 11-й император Всероссийский Николай I Павлович. На престол взошел его отец, император Александр II, и одиннадцатилетний мальчик становится Цесаревичем Николаем Александровичем — Наследником Российского Престола.
Ничто не предвещало беды в доме Романовых, ничто не говорило о том, что подающему надежды Цесаревичу не суждено будет стать в истории России императором Николаем II. Брак императора Александра II и императрицы Марии Александровны, заключенный в юности по глубокой взаимной склонности (редкостное явление в непростых династических отношениях любого Царствующего Дома), казался нерушимо прочным, счастливым и благословенным, только расцветающим с годами семейной жизни и рождением детей. К счастью, таким брак родителей оставался всю недолгую юную жизнь Цесаревича Николая Александровича — вплоть до его скоропостижной кончины в 1865 году в возрасте всего лишь двадцати одного года. Уже в следующем 1866 году начнется длительная незаконная связь его отца с Екатериной Долгорукой, навсегда погасившая семейный очаг Александра и Марии и вслед за смертью старшего любимого сына унесшая всю радость и тепло Царственной Семьи в незабвенное светлое прошлое (впрочем, Мария Александровна, жестоко страдая от измены мужа и медленно умирая от неизлечимого в то время туберкулеза, любила своего мужа до конца жизни).
В начале 1860-х годов Цесаревич Николай Александрович в сопровождении своего воспитателя графа С. Г. Строганова совершил ознакомительные поездки по стране. 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 занемог и спустя всего лишь семь месяцев после своей счастливой помолвки умер в апреле 1865 года во Франции от туберкулезного менингита.
Тело скоропостижно скончавшегося от туберкулёза наследника престола в последний путь 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 Царственную семью Романовых. По свидетельству той же Великой Княжны Ольги Николаевны, оставленному в ее замечательных 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 нее 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.
До революции великому князю Николаю Александровичу небольшие памятники были установлены в городах: