Родился в семье священника Нижегородской Никольской Верхнепосадской церкви Александра Ивановича Добролюбова (1812—6.08.1854), известного тем, что тайно обвенчал П. И. Мельникова-Печерского. Мать — Зинаида Васильевна, урождённая Покровская (1816—8.03.1854).
С восьмилетнего возраста с ним занимался семинарист философского класса М. А. Костров, который впоследствии женился на сестре своего ученика. С детства много читал и писал стихи, так что в тринадцатилетнем возрасте переводил Горация. В марте 1854 года умерла мать, в августе — отец. У Добролюбова произошёл духовный перелом, который он назвал «подвигом переделыванья» себя. В декабре 1854 года было написано его первое политическое стихотворение — «На 50-летний юбилей Н. И. Греча»; начались первые столкновения с администрацией института в лице директора И. И. Давыдова. С этого времени Добролюбов начал разделять радикальные антимонархические, антирелигиозные и антикрепостнические воззрения, что нашло отражение в его многочисленных «крамольных» сочинениях того времени – в стихах и прозе, в том числе в рукописных студенческих журналах: в 1855 году он начал выпускать нелегальную газету «Слухи», в которой помещал свои стихи и заметки революционного содержания.
В начале лета 1856 года произошло знакомство Добролюбова с Н. Г. Чернышевским; 24 июля 1856 года была напечатана его первая статья в «Санкт-Петербургских ведомостях» за подписью Николай Александрович; затем в «Современнике» появилась его статья «Собеседник любителей российского слова». С 1857 года руководил критико-библиографическим отделом «Современника», с 1859 вел сатирический отдел «Свисток».
В 1857 году Н. А. Добролюбов блестяще окончил институт, но за вольнодумство его лишили золотой медали. Некоторое время он был домашним наставником у князя Куракина; в 1858 году стал репетитором по русской словесности во 2-м кадетском корпусе.
В мае 1860 года он выехал за границу для лечения обострившегося туберкулёза; жил в Швейцарии, Германии, Франции, Италии. В июле 1861 года вернулся на родину безнадёжно больным.
Получив хорошую домашнюю подготовку, в 1847 году был принят сразу на последний курс четвёртого класса духовного училища. Затем учился в Нижегородской духовной семинарии (1848—1853). Среди характеристик, даваемых ему тогдашними наставниками: «Отличается тихостью, скромностью и послушанием», «усерден к богослужению и вёл себя примерно хорошо», «отличается неутомимостью в занятиях».