Nikolaj Grigor'evič Stoletov nacque a Vladimir, era fratello del noto fisico Alexander Grigor'evič Stoletov. Nikolaj frequentò il Ginnasio di Vladimir, proseguì i suoi studi presso la facoltà di fisica all'università statale di Mosca laureandosi nel 1854. Nello stesso anno entrò nell'esercito imperiale russo e combatté nella guerra di Crimea (1853-1856), partecipando alla Battaglia di Inkerman (5 novembre 1854) e all'assedio di Sebastopoli (1854-1855).