1929年9月5日生于
楚瓦什自治共和国马林斯基波萨德区绍尔舍雷村。1947年毕业于马林斯基波萨德林业学校。1950年参加苏军。1954年在伏龙芝市军事航空飞行学校毕业后，在莫斯科军区歼击航空兵部队任资深飞行员。1957年加入苏联共产党。1960年3月进入航天飞行队。苏联第一位航天员
尤里·加加林和第二位航天员戈尔曼·季托夫都只上过太空一次，而尼古拉耶夫却参加过两次航天飞行。
1962年8月11－15日，尼古拉耶夫驾乘“东方－3号”航天飞船升空，并同第4位航天员
帕维尔·罗曼诺维奇·波波维奇驾驶的、于8月12日进入轨道的东方4号飞船进行了70小时24分钟的编队飞行，这是世界上两艘载人飞船在太空第一次长时间“并肩飞行”，首次试验了两艘飞船乘员在太空的无线电联络，相互摄影，并完成了预定的科学技术和医学生物学方面的实验计划。尼古拉耶夫还运用手动操纵系统进行了飞船的空间定位。他于8月15日乘坐东方3号飞船返回地面，共绕地球64圈，创造了90小时22分钟的太空飞行纪录。 由于他顺利地完成了首次长时间在宇宙空间的编队飞行，于1968年8月18日被授予“苏联英雄”称号和技术科学副博士学位。
尼古拉耶夫在第一次太空飞行之后，曾和世界上第一位女航天员
瓦莲京娜·弗拉基米罗夫娜·捷列什科娃组成了世界上第一个航天员家庭，并有了一个女儿。
之后，尼古拉耶夫被保送茹科夫斯基空军工程学院学习，1968年毕业。1970年6月1－19日，他担任“联盟－9号”航天飞船船长，与В·И·谢瓦斯季亚诺夫一起，完成了第2次航天飞行任务。该船绕地球286周，耗时424小时59分。此间，他们研究了航天因素对人体的影响，考察了人在长时间失重条件下从事工作的能力。并试验了自动导航设备和自动导航方法，完成了对地球外表的观察、摄影，以供研究云层的空间结构，确定积雪线，发现暴雨、暴风和热带气旋，为勘探有益的矿藏校订现有的并绘制新的地质图。因他们成功地实现了又一次长时间的轨道航天，于7月3日第2次荣获“金星”奖章，同时还荣获“保加利亚人民共和国社会主义劳动英雄”、“越南社会主义共和国劳动英雄”和“蒙古人民共和国英雄”称号。并晋升为空军少将。
尼古拉耶夫还先后获得列宁勋章、劳动红旗勋章和红星勋章各1枚，奖章及外国勋章多枚。包括苏联科学院齐奥尔科夫斯基金质奖章、国际星际航空研究院的丹尼尔和弗洛伦斯·古根海姆奖金、国际航空联合会劳动奖章和加加林奖章等。月球背面一环形山被以其名字命名。2004年7月3日在俄罗斯楚瓦什自治共和国担任大型运动会的裁判时，突然心脏病发作，经抢救无效逝世 ，享年74岁。著作有《我是“雄鹰”》、《相逢在轨道上》、《明天始于今日》和《宇宙－路无尽头》等。