Nikołaj Kulomin od początku kariery występował w Mietałłurgu Magnitogorsk, z którym zdobył mistrzostwo Rosji w 2007 roku. W 2006 roku był draftowany z 44 numerem przez Toronto Maple Leafs. 25 maja 2007 roku Kulomin podpisał 3-letni kontrakt z Toronto Maple Leafs, lecz postanowił pozostać w Rosji do końca sezonu &lt;a href="Superliga%20rosyjska%20w%20hokeju%20na%20lodzie%20%282007/2008%29"&gt;2007/2008&lt;/a&gt;. W styczniu 2008 wraz z Metallurgiem zdobył Puchar Mistrzów. Sezon &lt;a href="NHL%20%282008/2009%29"&gt;2008/2009&lt;/a&gt; rozpoczął w Toronto Maple Leafs grając w formacji z Niklasem Hagmanem i Michaiłem Hrabouskim. Pierwszego gola w NHL strzelił w meczu przeciwko Detroit Red Wings, a w bramce stał Chris Osgood. 7 stycznia 2009 został przeniesiony do filii zespołu w AHL, Toronto Marlies. Po kilkunastu dniach wrócił do NHL. Od września 2012 do stycznia 2013 roku na okres lokautu w sezonie &lt;a href="NHL%20%282012/2013%29"&gt;NHL (2012/2013)&lt;/a&gt; związany kontraktem z macierzystym klubem Mietałłurgu Magnitogorsk. Od lipca 2014 zawodnik New York Islanders, związany czteroletnim kontraktem. Na początku 2018 ponownie został zawodnikiem macierzystego Mietałłurga. Z końcem kwietnia 2021 odszedł z klubu.