遭到苏共的谴责，最后开除了党籍。他的妻子米丽达·德拉乌列（Milda Draule）在列宁格勒州的党委工作，被指与州委书记基洛夫有暧昧关系的嫌疑，因而尼古拉耶夫对基洛夫有私怨。1934年12月1日，尼古拉耶夫畅通无阻地进入了列宁格勒州委的办公地点斯莫尔尼宫，用7.62 mm口径的纳甘M1895左轮手枪将基洛夫打死。尼古拉耶夫当场被捕，被押往莫斯科。斯大林亲自提审尼古拉耶夫，内务人民委员部的重要人物亚果达、叶若夫、阿格拉诺夫都审问过他，他坚称无人指使，是自己独自一人完成暗杀的。12月28日至29日期间