A Szmolenszki kormányzósághoz tartozó Kimborovo faluban született. Apai ágon a család egyik őse zaporizzsjai kozák volt aki Báthory Istvántól kapott lengyel nemességet. Az apa Mihail Kuzmics tartalékos katonatiszt volt aki aktív korában részt vett a novemberi felkelés leverésében. Édesanyja, Jelena Karetnyikova orosz volt, egy földbirtokos lánya. Nyikolaj tanulmányait Szentpéterváron végezte a katonai akadémián. Az akadémiát engedménnyel végezte el, mivel önkéntesen részt vett a lengyel januári felkelés elfojtásában. 1864-ben a földrajz tárgy oktatója lett a varsói kadétiskolában.1867-ben elérte, hogy szolgálatra áthelyezzék Irkutszkba a Kelet-szibériai Katonai Körzetbe. Innen a Cári Orosz Földrajzi Társaság közbenjárásával, kétéves kiküldetést kapott, hogy bejárja az Usszuri folyó medencéjét. Ez volt az első jelentős expedíciója. A következő években négy jelentős expedíciót vezetett Közép-és Belső Ázsiába. 1870-ben indított expedícióján átszelte a Góbi sivatagot, eljutott Pekingbe, majd felfedezte a Jangce felső folyását. 1872-ben eljutott Tibet északi részébe. Utazása során 7000 négyzetmérföldet térképezett fel, összesen 5000 növényt, 1000 madarat, 3000 rovart, 70 hüllőt és 130 emlőst gyűjtött.