Родился 22 апреля 1890 г. (ст. стиля) в слободе Котельвы Ахтырского уезда Харьковской губернии, где в это время жила семья Бурлюков.
В августе 1901 г.поступил в Херсонскую мужскую гимназию, которую закончил в июне 1909 г.
В августе 1909 г. Бурлюк был зачислен студентом историко-филологического факультета Санкт-Петербургского университета; 15 сентября 1909 г., по собственному прошению, был переведен на физико-математический факультет (агрономическое отделение). В октябре 1911 г. перевелся на словесное отделение историко-филологического факультета, но вскоре перевелся обратно на физико-математический факультет (естественный разряд). В феврале 1914 г. получил выпускное свидетельство о прослушании полного курса наук в Санкт-Петербургском университете.
Печатать стихи начал в 1911 году. Вместе с братьями — Давидом и Владимиром — принимал участие в различных мероприятиях и сборниках, устраиваемы футуристами («Пощечина общественному вкусу», «Садок судей» и др.), писал теоретические статьи, обосновывающие принципы футуризма.
Вместе с тем, Николай Бурлюк посещал заседания «Цеха поэтов», общался с Н. Гумилёвым и был не чужд идеям акмеизма. В связи с этим, Бурлюк отказался в 1914 г. подписать манифест футуристов «Идите к чёрту» с оскорбительными нападками на символистов и акмеистов.
В 1916 г. был призван на военную службу. В июле 1917 г. закончил школу прапорщиков и был отправлен на фронт в составе радиотехнического дивизиона. В время гражданской войны воевал попеременно как за красных, так и за белых.
В декабре 1920 г. был арестован красноармейцами и по решению особого отдела расстрелян.