Նիկոլայ Կասատկինը ծնվել է 1859 թվականի դեկտեմբերի 13-ին (դեկտեմբերի 25-ին) Մոսկվայում՝ գեղանկարիչ-վիմագրող Ալեքսեյ Կասատկինի ընտանիքում։
1873-1883 թվականներին սովորել է Մոսկվայի գեղանկարչության, քանդակագործության և ճարտարապետության ուսումնարան, որտեղ նրա ուսուցիչներն են եղել Վասիլի Պերովն ու Իլարիոն Պրյանիշնիկովը։
1891 թվականից անդամակցել է Գեղարվեստական շրջիկ ցուցահանդեսների ընկերությանը։ 1883 թվականին Կասատկինը «Աղքատները եկեղեցու գավթում» (ռուս.՝ «Нищие на церковной паперти») կարի համար ստացել է ուսումնարանի բարձրագույն պարգևը՝ մեծ արծաթե մեդալ և նկարչի կոչում։ 1894 և 1895 թվականներին այցելել է Դոնբաս։
1894-1917 թվականներին Նիկոլայ Կասատկինը՝ որպես մանկավարժ, աշխատել է Մոսկվայի գեղանկարչության, քանդակագործության և ճարտարապետության ուսումնարանում։ Բացի այդ, ուսումնարանն ավարտելուց հետո Կասատկինին իր՝ Ռուսաստանում խոշորագույն գրահրատարակչությունում աշխատելու էր հրավիրել Իվան Սիտինը։ Նկարիչն այնտեղ աշխատել է 30 տարի՝ մասնակցելով այնպիսի հրատարակությունների, ինչպիսիք են «Ռուսաստանի պատմությունը նկարներում» (ռուս.՝ «Русская история в картинах»), առաջին սեղանի օրացույցը, «Մեծ ռեֆորմը» (ռուս.՝ «Великая реформа»)՝ գյուղացիական բարեփոխումների իրականացման հիսունամյակին նվիրված հրատարակությունը և այլն։
Հոկտեմբերյան հեղափոխությունից հետո Կասատկինն եղավ առաջինը, ում շնորհվեց Հանրապետության ժողովրդական նկարչի կոչում (1923)։ Նա դարձավ նոր կազմավորված Հեղափոխական Ռուսաստանի նկարիչների միության (ռուս.՝ Ассоциация художников революционной России) անդամ։ 1924 թվականին գործուղվել է Անգլիա՝ ստեղծելու այնտեղի պրոլետարիատի սոցիալական պայքարին նվիրված նկարներ։ Սակայն այդպես էլ չհաջողվեց նրան դարձնել «խորհրդային գեղանկարչության Գորկի»։ Ուշ շրջանի նրա ստեղծագործություններից առավել հաջողված են մի շարք դիմանկարներ («Սովորելու ժամանակն է։ Պիոները գրքերով» (ռուս.՝ «За учебу. Пионерка с книгами»), 1926, Հեղափոխության թանգարան)։
Նիկոլայ Կասատկինը հանկարծամահ է եղել 1930 թվականիդեկտեմբերի 17-ին, երբ Հեղափոխության թանգարանում մեկնաբանում էր իր նոր՝ «Կարայական ողբերգություն» (ռուս.՝ «Карийская трагедия») նկարը։ Թաղված է Մոսկվայում։