Han tilhørte den nordenfjelske grenen av Holtermann-slekten som sønn av Peter Christian Tyrholm Holtermann og Frederikke Dorothea Rambeck. Faren var prest på Kvernes, i Trondhjem og senere på Oppdal samt stortingsmann. Han ble oppkalt etter farens pleiefar, kapellan og stortingsmann Niels Stockfleth Schultz i Trondhjem. Nils Holtermann giftet seg i 1872 med Marit Forve Dørum fra Oppdal.