Николай родился в творческой многодетной семье. Его отец был управляющим имением под Харьковом, но при этом много внимания уделял эстетическому воспитанию нового поколения и не жалел денег на лучших учителей. Все братья и сёстры будущего поэта - Давид, Владимир, Людмила, Марианна и Надежда – в детстве профессионально обучались музыке и живописи. Трое из них, повзрослев, стали одними из основателей русского футуризма.

Будущий поэт окончил Херсонскую мужскую гимназию. В процессе учёбы он проявил равный интерес, как к гуманитарным, так и к техническим наукам, в результате чего долго не мог определиться с выбором профессии. Сначала Бурлюк поступил на историко-филологическое отделение Санкт-Петербургского университета, но спустя два года перевёлся на физико-математический факультет.

Из солидарности с родными подписавшись под манифестами своих друзей-футуристов, на практике Николай Бурлюк был ближе к акмеистам, поскольку его художественные пристрастия редко отходили в сторону от классического четырехстопного ямба. Он принимал участие в заседаниях «Цеха поэтов», приятельствовал с Николаем Гумилёвым, из-за чего в 1914 году отказался подписать манифест футуристов «Идите к чорту», где в оскорбительных выражениях характеризуются акмеисты.

Для Бурлюка характерны импрессионистическая образность, показ «сновидений», мифологические образы, установка на музыкальность. Как и Гуро, он также активно экспериментировал с автобиографическими мотивами и потоком сознания. «Я люблю гулять ночью, — говорил поэт в одной из страниц своей лирической прозы, — но не в городе. Нет. Я люблю гулять ночью только там, где город обрывается — в парках, по набережным, по крышам».

В 1916 Бурлюк был мобилизован в действующую армию, а в период Гражданской войны служил в разных армиях на Украине, в зависимости от того, под чью мобилизацию попадал (приходилось воевать и у Гетмана Скоропадского, и при Директории у Петлюры, и у красных и у белых).

После ранения в 1919–20 гг. он поселился в Херсоне, где начал скрывался от всяческой мобилизации. В декабре 1920, ошибочно считая, что боевые действия остановлены, поэт явился на учёт в РККА как бывший офицер, но был арестован и к расстрелу в превентивных целях. 27 числа приговор был приведён в исполнение.

Обстоятельства гибели Николая Бурлюка долгое время оставались неизвестными. Обвинительное заключение по его делу было обнаружено в архивах Службы Безопасности Украины лишь в 2001 году. Эмигрировавший в США Давид Бурлюк знал о расстреле брата, но, вероятно, скрывал этот факт, желая оградить родных от преследования в СССР.