Nikołaj Kulomin od początku kariery występował w Mietałłurgu Magnitogorsk, z którym zdobył mistrzostwo Rosji w 2007 roku. W 2006 roku był draftowany z 44 numerem przez Toronto Maple Leafs. 25 maja 2007 roku Kulomin podpisał 3-letni kontrakt z Toronto Maple Leafs[1], lecz postanowił pozostać w Rosji do końca sezonu 2007/2008. W styczniu 2008 wraz z Metallurgiem zdobył Puchar Mistrzów. Sezon 2008/2009 rozpoczął w Toronto Maple Leafs grając w formacji z Niklasem Hagmanem i Michaiłem Hrabouskim. Pierwszego gola w NHL strzelił w meczu przeciwko Detroit Red Wings, a w bramce stał Chris Osgood. 7 stycznia 2009 został przeniesiony do filii zespołu w AHL, Toronto Marlies. Po kilkunastu dniach wrócił do NHL. Od września 2012 do stycznia 2013 roku na okres lokautu w sezonie NHL (2012/2013) związany kontraktem z macierzystym klubem Mietałłurgu Magnitogorsk[2]. Od lipca 2014 zawodnik New York Islanders, związany czteroletnim kontraktem[3]. Na początku 2018 ponownie został zawodnikiem macierzystego Mietałłurga[4]. Z końcem kwietnia 2021 odszedł z klubu[5]. Pod koniec sierpnia 2021 ogłoszono jego transfer do Saławatu Jułajew Ufa[6]. W pierwszym meczu sezonu KHL (2021/2022) w dniu 3 września 2021 zdobył trzy gole przeciw Barysowi (1:5)[7].
