Мальчик с детства собирал гербарии и коллекционировал насекомых, в юности много путешествовал. В 1890 году он окончил 6-ю Московскую гимназию с золотой медалью и поступил на естественное отделение физико-математического факультета Московского университета, где поначалу специализировался в области сравнительной анатомии и сравнительной эмбриологии. Научным руководителем Н. К. Кольцова в этот период был один из ведущих русских зоологов М. А. Мензбир. Его интерес к изучению живой клетки разбудил другой руководитель, приват-доцент В. Н. Львов. В это время Российская империя совершила мощный рывок: быстро развивались образование и наука, был сделан ряд мировых открытий. Россию называли «второй родиной дарвинизма».
В 1895 году Н. К. Кольцов окончил Университет с дипломом 1-й степени и золотой медалью за сочинение «Пояс задних конечностей и задние конечности животных», а позже был рекомендован к оставлению «для подготовки к профессорскому званию» по кафедре сравнительной анатомии. На учреждённую С. М. Третьяковым стипендию Николая Константиновича командировали за границу с напутствием ученика привезти не одну диссертацию.
С осени 1897 года он занимался за границей: в гистологической лаборатории Флемминга в Киле и на различных зоологических станциях в Неаполе, Виллафранке, Роскове. Особую роль в жизни учёного сыграла Неаполитанская морская зоологическая станция, где он работал и до, и после революции. Там было сделано открытие, давшее ему мировую известность.
В 1899 года Н. К. Кольцов стал приват-доцентом Московского университета. Блистательный лектор, он быстро стал любимцем студентов. Его аудитории всегда были полными, а слушатели спустя годы старались воспроизвести приёмы своего учителя. Его курс общей биологии напоминал анимацию: он читал лекцию, рисуя на доске цветными мелками. О популярности молодого учёного вспоминал в эмиграции художник К. Коровин.
В 1901 году Николай Константинович защитил магистерскую диссертацию «Развитие головы миноги». Эта работа наметила совершенно новое направление в биологии физико-химического объяснения формы живых образований и поставила точку в его сравнительно-анатомических трудах: молодой учёный видел будущее не у описательных, а у экспериментальных наук это был новый уровень изучения живого.
В 19021903 годах В. К. Кольцов вновь работал за границей: в лабораториях Германии (у Бючли и Флемминга) и на морских биостанциях в Неаполе и Виллафранке. Там молодой биолог обнаружил, что разнообразная форма спермиев десятиногих морских раков определяется состоянием особых внутриклеточных структур. Форма этих клеток менялась в зависимости от состава окружавших их растворов. Так Николай Константинович показал существование внутреннего цито-скелета. Зарубежные коллеги назовут это явление «кольцовским принципом организации клеток» (форма клетки зависит от формы коллоидальных частиц, образующих цито-скелет).
В 1903 года он был профессором на Высших женских курсах (ВКЖ), учредителем которых была Московская городская дума. Именно на ВЖК впервые заработал большой биологический практикум символ кольцовской школы. В 1908 году он стал профессором Народного университета имени Шанявского, где в 1912 году организовал первую в мире учебно-исследовательскую лабораторию экспериментальной биологии, здесь он преподавал до 1918 года.
Начатая во второй заграничной командировке работа «Исследование о спермиях десятиногих раков в связи с общими соображениями относительно организации клетки» предназначалась для докторской диссертации, но Николай Константинович отказался от защиты, поддержав начавшуюся тогда забастовку студентов Московского университета. В день открытия первой Думы он опубликовал брошюру «Памяти павших. Жертвы из среды московского студенчества в октябрьские и декабрьские дни»; почти весь тираж был в тот же день конфискован. Полиция установила за ним наблюдение. Вследствие чего он был вынужден перенести свою научно-педагогическую деятельность из стен Московского университета.
В 19091910 годах он опубликовал книгу «К университетскому вопросу» и брошюру «Белые рабы», напечатанную анонимно, в которых критиковал устаревшую систему образования и призывал к реформам. Выступая за университетские свободы в 1911 году в знак несогласия с политикой министра народного образования Л. А. Кассо, покушавшегося на автономию Университета, Н. К. Кольцов покинул его вместе с большой группой профессоров и доцентов.
Результатом «дела Кассо» стал невиданный расцвет двух частных высших учебных заведений в Москве, принявших ведущих университетских профессоров, М. А. Мензбир был принят на кафедру Кольцова на Высших женских курсах. Тогда же было создано Общество для организации Московского научного института в память 19 февраля (в 1911 отмечалось 50-летие освобождения крепостных крестьян), которое, по сути, являлось московской неправительственной академией. К. А. Тимирязев сравнивал его с германским Обществом содействия наукам.
А в 1915 году с подачи И. П. Павлова и других академиков магистру Н. К. Кольцову предложили членство в Петербургской академии наук (где в то время преобладали гуманитарные науки) по биологическому разряду отделения физико-математических наук. Тогда же Академия предложила ему возглавить вновь создаваемую кафедру экспериментальной биологии в Москве. В 1923 году он опубликовал работу «Генетический анализ психических особенностей человека». В эти годы Кольцов проводил опыты по биохимической генетике человека и животных. Объектами изучения были группы крови и фермент каталаза. В его Институте обследовали однояйцевых и разно-яйцевых близнецов. В 30-е годы эти темы перешли в Медико-генетический институт.
Созданный им институт экспериментальной биологии представлял в то время небольшую, но хорошо оборудованную лабораторию. Потрясения 1917 года лишили его институт всех необходимых средств (доходило до того, что нечем было кормить животных, не говоря уже про жалование сотрудников). В это непростое время, Н. К. Кольцов, уже собрал вокруг себя талантливых учеников (среди них был и Н. В. Тимофеев-Ресовский).
В начале 1920 года организованные им биостанции были объединены, и получили название Центральной станции по генетике сельскохозяйственных животных, директором которой стал Николай Константинович.
Но в 1920 году Н. К. Кольцов был арестован и привлечён к суду по делу «Тактического центра», который объединил критиков большевистской власти. Участниками обсуждений Центра были известные лица: философ Н. А. Бердяев, экономист Н. Д. Кондратьев, А. Л. Толстая и другие. Там обсуждали сценарии жизни страны после возможного падения большевиков. Терроризмом Центр не занимался и его не поддерживал, но ЧК провела аресты. М. Горький и ученики Николая Константиновича отправили властям, лично Ленину письма по поводу арестов Н. К. Кольцова и других, так как им грозил расстрел. А в 1921 году участников процесса амнистировали и учёному уже не вспоминали эти события ни при Ленине, ни позже.
В начале 1920-х годов изучение евгеники поддерживали многие прогрессивные медики и общественные деятели, как в СССР, так и за её пределами. Н. К. Кольцов, который видел в евгенике целостное изучение человека, предложил петроградскому коллеге Ю. А. Филипченко совместную работу на эту тему. 15 октября 1920 года в Москве при Институте экспериментальной биологии было создано Русское евгеническое общество, где он принимал самое активное участие. Под его редакцией вышли в свет 7 томов «Русского евгенического журнала». Учёный отмечал «богатство русской народной массы ценными генами». Русские евгеники продолжая гуманистическую традицию, изучали генетику и эволюцию человека, генетику и эволюцию его популяций, конституцию и типологию человека, его психологию и поведение, а также патографии людей и др.
В 1921 г. кольцовцы рентгенизировали грибных дрозофил и мелких ракообразных, получив изменённые формы, но данные не публиковались, опасаясь ошибок, так как не было базы для сравнения результатов с уже известными мутациями ещё во время Первой мировой войны.
В 1929, наступил «год великого перелома», началось наступление и на «старую» профессуру. Выявляли «классовых врагов, засевших за микроскопами». В список учёных, авторов «вредительских теорий», к концу 20-х годов попали все наши крупные биологи. Н. К. Кольцова разоблачали как евгеника. «Виноват» он был и в своей попытке «возглавить позицию единства теории и практики». При перестройке в Московском университете его кафедру упразднили. Вместо неё появились пять новых дочерних кафедр Биологического факультета, которые возглавили пять его учеников. Шестую позже основал эмбриолог-кольцовец Д. П. Филатов.