Tschernyschewski wurde in Saratow in einer Pfarrfamilie geboren. Nikolai lernte drei Jahre lang an einem theologischen Seminar und studierte von 1846 bis 1850 Geschichte und Philologie an der Universität Petersburg. Sein Werdegang wurde stark von den französischen sozialistischen Philosophen Henri de Saint-Simon und Charles Fourier beeinflusst.

1853 heiratete er Olga Sokratowna Wasiljewa. Tschernyschewski liebte nicht nur seine junge Frau tief, sondern betrachtete ihre Ehe auch als „Versuchsfeld“ für neue Ideen. Er propagierte die absolute Gleichheit der Ehepartner, was zu jener Zeit eine revolutionäre Idee war.

Darüber hinaus war er der Meinung, dass Frauen, als eine der am stärksten unterdrückten Gruppen der Gesellschaft, maximale Freiheit für die Erreichung echter Gleichheit gewährt werden sollte. Er erlaubte seiner Frau alles, einschließlich ehelicher Untreue, da er sie nicht als sein Eigentum betrachten konnte. Diese persönliche Erfahrung spiegelte sich später in der Liebesgeschichte des Romans „Was tun?“ wider.

1853 zog Tschernyschewski von Saratow nach Petersburg, wo er seine Karriere als Publizist begann. Sein Name wurde schnell zum Symbol der Zeitschrift „Sowremennik“, für die er von N.A. Nekrassow eingeladen wurde. 1855 verteidigte Tschernyschewski seine Dissertation „Ästhetische Beziehungen der Kunst zur Wirklichkeit“, in der er die Suche nach dem Schönen in abstrakten Bereichen der „reinen Kunst“ ablehnte und erklärte: „Das Schöne ist das Leben“.

In den späten 50er und frühen 60er Jahren veröffentlichte er aktiv und nutzte jede Gelegenheit, um seine Ansichten auszudrücken, und erwartete einen Bauernaufstand nach der Aufhebung der Leibeigenschaft im Jahr 1861. Wegen revolutionärer Agitation wurde „Sowremennik“ geschlossen. Kurz darauf beschlagnahmten die Behörden einen Brief von A.I. Herzen, der im Exil lebte. Als er von der Schließung der Zeitschrift erfuhr, schlug Herzen N.L. Serna-Solowjewitsch vor, die Veröffentlichung im Ausland fortzusetzen.

Der Brief wurde zum Anlass für die Festnahme, und am 7. Juli 1862 wurden Tschernyschewski und Serna-Solowjewitsch in die Peter-und-Paul-Festung eingesperrt. Im Mai 1864 wurde Tschernyschewski für schuldig befunden und zu sieben Jahren Zwangsarbeit und Verbannung nach Sibirien bis ans Lebensende verurteilt. Am 19. Mai 1864 wurde öffentlich das Ritual der „bürgerlichen Hinrichtung“ an ihm vollzogen.

Während der Untersuchung schrieb Tschernyschewski in der Festung seinen Hauptroman „Was tun?“. Erst 1883 wurde ihm erlaubt, sich in Astrachan niederzulassen. Zu diesem Zeitpunkt war er bereits ein alter und kranker Mann. 1889 wurde er nach Saratow verlegt, wo er bald darauf an einer Gehirnblutung starb.