Родился в 1907 году в Москве.
Мать — Анастасия Семеновна Кутузова (девичья фамилия), русская, была белошвейкой.
В 1914—1918 годах Николай Гастелло учился в 3-м Сокольническом городском мужском училище им. А. С. Пушкина. В 1918 году из-за голода в составе группы школьников-москвичей был эвакуирован в Башкирию. В 1919 году он возвращается обратно в Москву, где вновь поступает в школу. Трудовую деятельность Николай Гастелло начал в 1923 году, став учеником столяра. В 1924 году семья Гастелло переезжает в Муром, где Николай поступает слесарем на Паровозостроительный завод им. Ф. Э. Дзержинского, на котором работал и его отец. Параллельно с трудовой деятельностью, Н. Ф. Гастелло оканчивает школу (ныне — школа № 33). В 1928 году вступил в ВКП(б). В 1930 году семья Гастелло возвращается в Москву, и Николай поступает на работу в Первый государственный механический завод строительных машин имени 1-го Мая. В 1930—1932 годах Н. Ф. Гастелло жил в пос. Хлебниково.
26 июня 1941 года на ДБ-3ф бомбил вражескую мотоколонну на дороге Молодечно — Радошковичи. В результате огня зенитной артиллерии самолёт был подбит. Вместе с командиром корабля Н. Ф. Гастелло погибли члены экипажа: лейтенант А. А. Бурденюк, лейтенант Г. Н. Скоробогатый, старший сержант А. А. Калинин. По официальной советской версии, вражеский снаряд повредил топливный бак, и Гастелло совершил огненный таран — направил горящую машину на механизированную колонну врага.
Удостоен звания Герой Советского Союза, с вручением медали «Золотая звезда» и ордена Ленина (1941, посмертно). Указ Президиума Верховного Совета СССР от 26.07.1941 г.
26 июня 1941 года на боевой вылет в район Радошковичи — Молодечно вылетело звено под командованием капитана Н. Ф. Гастелло, состоящее из двух тяжёлых бомбардировщиков ДБ-3ф. Вторым самолётом управлял старший лейтенант Фёдор Воробьёв, в качестве штурмана с ним летел лейтенант Анатолий Рыбас (имена ещё двух членов экипажа Воробьёва не сохранились). Во время атаки скопления немецкой техники самолёт Гастелло был подбит. Согласно рапортам Воробьева и Рыбаса, горящий самолёт Гастелло совершил таран механизированной колонны вражеской техники. Ночью крестьяне из близлежащей деревни Декшняны извлекли трупы лётчиков из самолёта и, обернув тела в парашюты, похоронили их рядом с местом падения бомбардировщика.
Вскоре подвиг Гастелло получил широкое освещение в прессе. 5 июля 1941 года в вечерней сводке Советского информбюро впервые был упомянут подвиг Н. Ф. Гастелло:
На основе сообщения Совинформбюро корреспондентами П. Павленко, П. Крыловым был написан очерк «Капитан Гастелло», который был опубликован в газете «Правда» 10 июля 1941 года.
Обращает на себя внимание дата подвига Гастелло, указанная в статье, — 3 июля. Вероятно, авторы очерка, уточнив правильное написание фамилии героя и факты его биографии, вывод о дате гибели Гастелло сделали исходя из даты сообщения Совинформбюро. Статья в «Правде» имела широкий резонанс, подвиг Гастелло широко использовался советской пропагандой.
25 июля 1941 года командиром 207-го ДБАП капитаном Лобановым и полковым комиссаром Кузнецовым Н. Ф. Гастелло был представлен к званию Героя Советского Союза. В наградном листе сказано:
Уже на следующий день после представления капитану Гастелло Николаю Францевичу было присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно). Приказом министра обороны СССР капитан Гастелло Н. Ф. навечно зачислен в списки одного из авиационных полков.
«Огненный таран» Гастелло стал одним из самых известных примеров героизма в истории Великой Отечественной войны и использовался для военно-патриотической пропаганды и воспитания молодёжи как в ходе войны, так и в послевоенный период, вплоть до распада СССР. Альтернативные версии событий близ д. Декшняны и попытки расследования гибели Гастелло и Маслова пресекались либо засекречивались. Члены экипажа Гастелло — Г. Н. Скоробогатый, А. А. Калинин, А. А. Бурденюк — остались в тени подвига командира. Только в 1958 году они были награждены орденами Отечественной войны I степени (посмертно).
Усилиями советской пропаганды подвиг Н. Ф. Гастелло стал одним из самых известных в истории Великой Отечественной войны, а фамилия Гастелло — нарицательной. «Гастелловцами» стали называть лётчиков, совершивших «огненный таран». Всего за период Великой Отечественной войны было совершено 595 «классических» воздушных таранов (самолётом самолёта), 506 таранов самолётом наземной цели, 16 морских таранов (в это число могут входить и тараны морскими лётчиками надводных и береговых целей противника) и 160 танковых таранов. Нужно отметить, что в источниках имеется определённый разнобой по поводу количества таранных атак. Например, в статье «Побратимы Николая Гастелло» говорится лишь о 14 морских и только 52 танковых таранах, 506 таранах самолётом наземной цели, но зато о 600 воздушных таранах. Генерал-майор авиации А. Д. Зайцев в своей книге «Оружие сильных духом» оценивает количество воздушных таранов в более чем 620. При этом историки авиации пишут: «в документах противника отмечено [ещё] более двадцати таранов, совершённых советскими летчиками, которые до сих пор неидентифицированы». Нет единства и в оценке количества собственно «огненных таранов». Например, Юрий Иванов, в своей работе «Камикадзе: пилоты-смертники» оценивает число таких таранов, совершённых советскими летчиками в 1941—1945 гг. величиной «около 350». В завершение этого пункта следует также отметить, что ряд советских пилотов таранили врага не один раз: 34 лётчика применяли воздушный таран дважды, четверо — Леонид Иванович Борисов, Владимир Иванович Матвеев, Николай Васильевич Терёхин, Алексей Степанович Хлобыстов — трижды, а Борис Иванович Ковзан — четырежды.
В 1951 году в канун десятилетия знаменитого «огненного тарана» для последующего торжественного захоронения была произведена эксгумация останков из предполагаемой могилы Гастелло. Его вещей в могиле не оказалось, но были найдены личные вещи сослуживцев Гастелло — командира 1-й эскадрильи 207-го ДБАП капитана Александра Спиридоновича Маслова и стрелка-радиста Григория Васильевича Реутова. Экипаж Маслова считался пропавшим без вести в тот же день, в который Гастелло, как утверждается, совершил свой подвиг. Руководивший перезахоронением подполковник Котельников с санкции партийных органов провёл секретное расследование, в результате которого выяснилось, что на месте предполагаемого тарана Гастелло потерпел крушение самолёт Маслова. Экипаж Маслова без огласки перезахоронили на кладбище Радошковичей, фрагменты бомбардировщика Маслова — отправлены в музеи страны как останки самолёта Гастелло, на месте гибели экипажа Маслова был установлен памятник-монумент, посвящённый подвигу экипажа Н. Ф. Гастелло. Данные об эксгумации предполагаемой могилы Гастелло не были обнародованы вплоть до эпохи гласности, когда они впервые проникли в СМИ.
В 1990-е годы в СМИ появилась иная версия событий около деревни Декшняны (её автором стал майор в отставке Эдуард Харитонов). Были обнародованы данные об эксгумации предполагаемой могилы Гастелло в 1951 году. В связи с тем, что там были обнаружены останки экипажа Маслова, было выдвинуто предположение, что именно Маслов является автором приписываемого Гастелло «огненного тарана». В 1996 году указом президента Ельцина Маслов и все члены его экипажа были награждены званием Героя Российской Федерации (посмертно).
Достоверность рапортов Воробьёва и Рыбаса поставлена под сомнение. Во-первых, возникло предположение, что непосредственно сам таран самолётом Гастелло улетавшие от места боя лётчики не видели, связав падение бомбардировщика Гастелло и столб дыма, поднимавшийся возле дороги. Во-вторых, выдвигалось предположение, что рапорты могли быть переделаны в ходе кампании по героизации Гастелло в июле—августе 1941 года. В-третьих, самих рапортов Воробьёва и Рыбаса не сохранилось, есть только ссылающиеся на них документы. В-четвёртых, Воробьёв и Рыбас служили в 96-м ДБАП, который располагался на том же аэродроме, что и 207-й ДБАП, в котором воевали Маслов и Гастелло. По предположению сторонников альтернативной версии, экипажи из разных полков не могли лететь на задание в одном звене.
После появились сообщения, что обломки подлинного самолёта Гастелло находились недалеко от места гибели Маслова, в Мацковском болоте близ села Мацки. Самолёт около Мацки упал, согласно показаниям местных жителей, 26 июня 1941 года. Ими был найден обгоревший труп, в кармане гимнастёрки которого находилось письмо на имя Скоробогатой, (как предполагается, жены стрелка экипажа Гастелло — Григория Николаевича Скоробогатого), а также медальон с инициалами А. А. К. (возможно, стрелка-радиста Гастелло — Алексея Александровича Калинина). Но главное — здесь был найден обломок, однозначно идентифицируемый как часть самолёта именно Н. Ф. Гастелло — бирка от двигателя М-87Б с серийным № 87844.
Согласно свидетельским показаниям местных жителей села Мацки, один человек из предполагаемого подлинного самолёта Гастелло выбросился с парашютом с крыла падающего самолёта и был захвачен немцами. Показания местного жителя подтверждаются документом «Список безвозвратных потерь начальствующего и рядового состава 42-й авиадивизии с 22.06 по 28.06.41 г.» за подписью начальника отдела строевой части старшины Бокова. В конце перечисленных поимённо членов экипажа Гастелло приписка: «Один человек из этого экипажа выпрыгнул с парашютом, кто — неизвестно». В то же время не ясно, откуда появилась эта информация, ведь в рапорте Воробьёва и Рыбаса этот момент не отражён, а жители села Мацки были уже на оккупированной территории. Конструктивной особенностью бомбардировщика ДБ-3ф является то, что с крыла прыгать может только пилот. Это дало сторонникам альтернативной версии повод утверждать, что Гастелло бросил гибнущий борт и экипаж ради собственного спасения. Однако, строго говоря, не вполне ясно даже, из какого самолёта выпрыгнул парашютист, о котором идёт речь в документе, подписанном Боковым (не говоря уже о том, что свидетели могли ошибиться в своих наблюдениях на предмет того, что прыжок был именно с крыла) — из машины, принятой впоследствии за машину Гастелло (то есть самолёта Маслова) или действительно из самолёта Гастелло. Стоит также отметить, что Гастелло, по-видимому, действительно пытался направить свой самолёт на расположение врага — иначе трудно объяснить, зачем его ДБ-3ф совершил разворот обратно на д. Мацки (а там как раз находилась немецкая воинская часть).
Высказывается предположение, что из двух одинаково вероятных в тот момент кандидатов на подвиг был выбран именно Гастелло по нескольким соображениям:
Впрочем, версия о том, что осуществлялся некий «выбор» между Гастелло и Масловым на роль «героя», маловероятна: героическая гибель Гастелло была отражена в рапортах Воробьёва и Рыбаса, в то время как свидетельств крушения самолёта Маслова не было, он считался «пропавшим без вести».
Ряд исследователей (прежде всего, сын Н. Ф. Гастелло — полковник в отставке Виктор Гастелло) подвергают сомнению факты, на которых построена альтернативная версия и отвергают её как полностью несостоятельную. По их мнению: