Родился в дворянской семье кронштадтского корабельного врача Степана Яковлевича Гу́милева (1836—1910). Мать — Анна Ивановна, урождённая Львова (1854—1942).
Учился в Царскосельской гимназии, плохо и однажды даже был на грани отчисления, но директор гимназии И. Ф. Анненский настоял на том, чтобы оставить ученика на второй год: «Всё это правда, но ведь он пишет стихи». Весной 1906 года Николай Гумилёв всё-таки сдал выпускные экзамены, в аттестата значилась единственная пятёрка — по логике.
С 1906 года много путешествовал по Европе, Африке, писал стихи, рассказы, издавался в журналах у Валерия Брюсова, Мережковского, издаёт несколько своих сборников стихов.
25 апреля 1910 года, после трёх лет колебаний, он наконец женился на на Анне Андреевне Горенко (Ахматовой), у них родился сын — Лев
В 1911 году при активнейшем участии Гумилёва был основан «Цех поэтов», в который, кроме Гумилёва, входили Анна Ахматова, Осип Мандельштам, Владимир Нарбут, Сергей Городецкий, Елизавета Кузьмина-Караваева (будущая «Мать Мария»), Зенкевич и другие.
В 1912 году Гумилёв заявил о появлении нового художественного течения — акмеизма, в которое оказались включены члены «Цеха поэтов». Акмеизм провозглашал материальность, предметность тематики и образов, точность слова. Появление нового течения вызвало бурную реакцию, по большей части негативную. В том же году акмеисты открывают собственное издательство «Гиперборей» и одноимённый журнал.
После начала Первой мировой войны в начале августа 1914 года Гумилёв записался добровольцем в армию. Вместе с Николаем на войну (по призыву) ушёл и его брат Дмитрий Гумилёв, который был контужен в бою и умер в 1922 году.
5 августа 1918 года состоялся развод с Анной Ахматовой. Отношения между поэтами разладились давно, но развестись с правом вновь вступить в брак до революции было невозможно.
3 августа 1921 года Гумилёв был арестован по подозрению в участии в заговоре «Петроградской боевой организации В. Н. Таганцева», которой, как позже выяснилось и не существовало вовсе… Друзья пытались выручить поэта, но, несмотря на это, вскоре он был казнён.