У дитячі роки закладаються його перші інтелектуальні підвалини світогляду майбутнього історика. Зокрема, батько, палкий прихильник європейських авторів-просвітників XVIII ст., особливо Вольтера, намагався прищепити сину вільнолюбні ідеї і дати йому пристойну освіту. З цією метою десятилітнього Миколу віддали у московський приватний пансіон. Пізніше мати, овдовівши, змушена була перевести сина до приватного пансіону у Воронежі, звідки він перейшов у передостанній клас місцевої гімназії. Закінчивши гімназію у 1833 р., М. Костомаров вступив на словесний факультет Харківського університету. Вже перші роки університетських студій виявили блискучі здібності юнака в царині гуманітарних наук і красного письменства. Він багато працював, захоплювався стародавньою літературою і мистецтвом, популярними творами того часу, опановував класичні мови. Особливо помітний вплив справили на нього лекції професора грецької літератури А. Валицького і професора загальної історії, гегельянця М. Луніна.
У 1836 р. М. Костомаров закінчив Харківський університет зі званням дійсного студента, а в січні 1837 р. здав іспит на ступінь кандидата. Того самого року, під впливом юнацьких мрій та наслідуючи приклад батька, він вступив до Кінбурнського драгунського полку юнкером. Однак незабаром М. Костомаров дійшов висновку про безперспективність своєї військової кар'єри. Натомість проявилися його найперші дослідницькі зацікавлення. Цьому сприяла робота з давніми паперами в архіві повітового суду міста Острогозька, де квартирував Кінбурнський полк. Так з'явилася на світ перша студія Костомарова - опис Острогозького слобідського полку, на жаль, утрачений пізніше, під час арешту автора у справі Кирило-Мефодіївського братства[2,7] .
Перший дослідницький досвід породив нові плани: написати історію слобідських козацьких полків. Для реалізації цієї мети Костомаров залишає військову службу, вирушає до Харкова, а пізніше - до Москви з наміром продовжити свої історичні студії. Він значно розширює коло знайомств, слухає лекції відомих вчених. Проте вирішальними для становлення Костомарова як історика були тогочасні романтичні впливи. Наприкінці 30-х - на початку 40-х років XIX ст. М. Костомаров, ознайомившись із творчістю харківських поетів-романтиків, вивчає слов'янські мови, починає писати українською і видає під псевдонімом Ієремія Галка низку драм і поезій, оригінальних та перекладних. Серед них - збірка поезій «Вітка» (1840), трагедія «Переяславська ніч» та інші, які відкрили нову сторінку в українській драматургії.
Чимало уваги М. Костомаров приділяє й історичним студіям, зокрема складає магістерський іспит наприкінці 1840 р., а також працює над дисертацією «О причинах и характере унии в Западной России»[5,10]. Після подорожі 1841 р. до Криму молодий історик подав її у вигляді книги до захисту на перше відділення філософського факультету Харківського університету. Однак диспут, призначений на 23 березня 1842 р., не відбувся через протести з боку преосвященного Інокентія. Книгу відправили на розгляд тогочасного міністра народної освіти графа С. Уварова, який доручив професору Санкт-Петербурзького університету М. Устрялову скласти відгук. Останній фактично дійшов висновку, що праця суперечить офіційній політичній та релігійній доктрині Російської імперії. Як наслідок, дисертацію зняли із захисту, а всі її примірники наказали вилучити і знищити. Втім, М. Костомарову дозволили писати нову дисертацію.
На початку 40-х років XIX ст. Костомаров обіймає посаду помічника інспектора в Харківському університеті, одночасно викладаючи історію в приватних закладах та як домашній репетитор. У цей період учений займався підготовкою нової магістерської дисертації - «Об историческом значении русской народной поэзии», яку успішно захистив у січні 1844 р. Тоді ж він публікує «Обзор сочинений, писанных на малороссийском языке», що став однією з перших критичних праць в українському літературознавстві, а також історичні розвідки про повстання С. Наливайка, родину князів Острозьких тощо.
Романтичне світобачення Костомарова активно стимулювало його творчі пошуки, які концентрувалися на динамічних, суперечливих етапах з неповторними та різноманітними виявами народного духу. Відтак у травні 1843 р. Костомаров розпочав студіювати історію доби Богдана Хмельницького. Нові наукові зацікавлення, складні взаємини з харківським начальством, нарешті, прагнення отримати кафедру спонукали його перебратися з Харкова до Києва. Проте у 1844 р. Костомарову не вдалося реалізувати свої плани повною мірою. Спочатку він отримав призначення в Рівненську гімназію на посаду вчителя історії, яку обіймав протягом року. Впродовж цього часу вчений досліджував добу Хмельниччини, здійснював польові студії з вивчення народного побуту і творчості, які збагатили його світогляд, дали змогу зробити важливі спостереження щодо української духовної та матеріальної культури. У 1845 р. Костомарову випала нагода переїхати до Києва. З серпня 1845 р. він працював старшим учителем історії у Першій Київській гімназії, одночасно викладаючи загальну й російську історію в приватних пансіонах, а пізніше - в Київському Інституті шляхетних дівчат. У червні 1846 р., після прочитання пробної лекції «Изложение истории русских славян от древнейших времен до образования Гуннской держави» рада Київського університету Св. Володимира затверджує його ад'юнктом кафедри російської історії. Викладацьку діяльність він поєднував з інтенсивними науково-історичними студіями, вивчав добу Б. Хмельницького, готував до видання літопис С. Величка, працю «Славянская мифологія», що вийшла друком кирилицею та гражданським шрифтом 1847 р. у Києві. У цій студії розкривається християнський світогляд слов'янських племен, зокрема фольклорні матеріали зіставляються з історичними відомостями[2,9].
У Києві М. Костомаров здобув чимало друзів та знайомих, передусім з числа представників української інтелігенції та національно-визвольного руху: В. Білозерського, М. Гулака, П. Куліша, Т. Шевченка та ін. На ґрунті спільних інтелектуальних і духовних зацікавлень історичним минулим, а також під впливом романтичних віянь в літературі, культурі та мистецтві слов'янських народів вони утворили таємне політичне об'єднання - Кирило-Мефодіївське товариство. Найважливіший програмний документ Кирило-Мефодіївським братчиків - «Книгу буття українського народу» було написано М. Костомаровим. На думку деяких учених (М. Грушевського, М. Возняка та ін.), у «Книзі...» в найвідвертішій формі висловлено суспільно-політичні погляди автора — обстоювання самостійності української нації та ЇЇ необмеженого права на вільний розвиток, а також ідеї месіанства і панславізму, саме щодо України, Росії та Польщі. Крім цього, М. Костомаров, В. Білозерський та М. Гулак склали Статут товариства. Кирило-мефодіївці ставили за мету перебудувати тодішнє суспільство на засадах християнської історіософії, зокрема на принципах братерства, рівності, свободи, справедливості, гармонії тощо[4,16]. Перетворення суспільства мало здійснюватися на реформаторській основі, зокрема через ліквідацію кріпацтва, проголошення рівності станів, гармонійне співіснування народів та їх культур, широкі культурно-просвітницькі заходи серед народних мас.
М. Костомарова було заарештовано 28 березня, напередодні його весілля з Аліною Леонтіївною Крагельською, призначеного на ЗО березня 1847 р. Аліна Крагельська народилася в сім'ї військового, виховувалася і виросла в Києві, закінчила в 1846 р. Київський жіночий зразковий пансіон Де-Мельян, в якому Костомаров з 1845 до 1847 р. викладав загальну та російську історію, і там познайомився з Аліною. 13 лютого 1847 р. він заручився з нею, але обвінчався лише через 28 років. Без суду М. Костомарова було ув'язнено на рік у Петропавловській фортеці, потім вислано до Саратова під нагляд поліції, із забороною обіймати наукові посади і друкуватися. Це була ще одна трагічна віха в його житті.
Необхідно все ж зазначити, що кирило-мефодіївці справили неабиякий вплив на становлення українського національно-визвольного руху другої половини XIX - початку XX ст., зокрема на формування політичного українства. М. Костомаров відіграв у діяльності Кирило-Мефодіївського товариства величезну роль. Він був не лише автором програмних документів братчиків, а й одним з ініціаторів заснування об'єднання та його неформальним лідером. Хоча за матеріалами слідчої справи він проходить як «великороссиянин», що суперечило його духовній приналежності до українців, з якими була пов'язана і громадсько-політична діяльність ученого. У ній чітко проглядається прагнення захистити право українського народу на культурну і державну автономію у складі слов'янської федерації.
На початку 1856 р. з Костомарова зняли поліцейський нагляд, але його становище істотно не змінилося, оскільки де-факто обмеження існували й надалі. Втім, йому дозволили здійснити тривалу подорож за кордон (Швеція, Німеччина, Франція, Італія, Австрія), яка дала можливість ознайомитися з тогочасними європейськими інтелектуальними новаціями.
Зрештою, у новій, ліберальній атмосфері, що склалася напередодні Великої реформи 1861 р., Костомаров зміг розпочати публікацію низки праць, зокрема монографій «Богдан Хмельницкий» (1857) та «Бунт Стеньки Разина» (1858), які принесли йому широке визнання. За оцінками вчених (В. Смолій, В. Степанков), праця про Хмельниччину - перша в українській історіографії спроба висвітлити на основі великого фактичного матеріалу військову і державно-політичну діяльність гетьмана Хмельницького, а «Введение» до монографії, на думку В. Антоновича, безперечно, кращий систематичний нарис з історії козацтва. М. Грушевський вважав обидві монографії зразком революційної історіографії [2,10].