Родился в семье известного в Нижнем Новгороде священника Никольской Верхнепосадской церкви (его отец тайно обвенчал Мельникова-Печерского). С восьмилетнего возраста с ним занимался семинарист философского класса М. А. Кострова, который впоследствии женился на сестре своего ученика. С детства много читал и писал стихи, так что в тринадцатилетнем возрасте переводилГорация. Получив хорошую домашнюю подготовку, был принят сразу на последний курс четвертого класса духовного училища. Затем учился в Нижегородской духовной семинарии (1848—1853). Среди характеристик, даваемых ему тогдашними наставниками: «Отличается тихостью, скромностью и послушанием», «усерден к богослужению и вел себя примерно хорошо», «отличается неутомимостью в занятиях». А. Л. Катанский, учившийся в той же семинарии, вспоминал: «Доб-в поражал нас своим видом очень благовоспитанного юноши, скромного, изящного, всегда хорошо одетого, с нежным, симпатичным лицом. Он был похож на красную девушку…»

Осенью 1853 года с рекомендацией для поступления в Духовную академию Добролюбов поехал в Петербург, однако поступил в Главный педагогический институт, где преподавание было университетское, а студенты находились на казённом иждивении. В институте в это время преподавало несколько выдающихся профессоров — Лоренц, Благовещенский, Срезневский.

В начале лета 1856 года произошло знакомство Добролюбова с Н. Г. Чернышевским; 24 июля 1856 года была напечатана его первая статья в «Санкт-Петербургских ведомостях» за подписью Николай Александрович; затем в «Современнике» появилась его статья «Собеседник любителей российского слова».В марте 1854 года умерла мать Добролюбова, в августе — отец. И у Добролюбова произошёл духовный перелом, который он назвал «подвигом переделыванья» себя. В декабре 1854 года было написано его первое политическое стихотворение — «На 50-летний юбилей Н. И. Греча»; начались первые столкновения с администрацией института в лице директора И. И. Давыдова. С этого времени Добролюбов начал разделять радикальные антимонархические, антирелигиозные и антикрепостнические воззрения, что нашло отражение в его многочисленных «крамольных» сочинениях того времени в стихах и прозе, в том числе в рукописных студенческих журналах: в 1855 году он начал выпускать нелегальную газету «Слухи», в которой помещал свои стихи и заметки революционного содержания.

В 1857 году Н. А. Добролюбов блестяще окончил институт, но за вольнодумство его лишили золотой медали. Некоторое время он был домашним наставником у князя Куракина; в 1858 году стал репетитором по русской словесности во 2-м кадетском корпусе.

В мае 1860 года он выехал за границу для лечения обострившегося туберкулеза; жил в Швейцарии, Германии, Франции, Италии. В июле 1861 года вернулся на родину безнадёжно больным.