Обучался на математическом факультете Киевского, а затем Петербургского университетов. В 1850 году, не окончив университетского курса, поступил в Петербургскую Академию художеств.
За работу «Ахиллес оплакивает Патрокла» в 1855 году получил малую золотую медаль. Работа «Саул у Аэндорской волшебницы» принесла ему в 1857 году уже большую золотую медаль и командировку за границу.
Николай Ге посетил Германию, Швейцарию, Францию и обосновался в Италии, где работал над сюжетами из истории Древнего Рима («Смерть Виргинии», «Любовь весталки»). Затем, не без влияния А.А. Иванова, обратился к евангельским легендам для выражения своих представлений о добре и зле, о нравственных проблемах человечества.
В 1861 году живописец начал писать «Тайную вечерю», а через 2 года привёз её в Петербург и выставил на осенней выставке в Академии Художеств. Картина произвела на публику сильное впечатление, а сам Николай Ге получил звание профессора.
Возвратившись во Флоренцию, он знакомится и сближается с Герценом; в 1867 году пишет его портрет, считающийся лучшим из написанных художником. В Италии Николай Ге написал много пейзажей, также им созданы портреты И. Доманже, М.А. Бакунина, «Портрет неизвестной в синей блузе» и др.
По возвращении в Россию живописец был в числе организаторов Товарищества передвижных художественных выставок. На первой же выставке в 1871 году обратила на себя внимание его картина «Петр I допрашивает царевича Алексея Петровича в Петергофе», тогда она и была приобретена П.М. Третьяковым.
В 1870-е годы Николай Николаевич испытал творческий кризис – около трех лет не брался за кисть (1876-1879). В это время он поселился на хуторе в Черниговской губернии, где и прошла большая часть его последующей жизни.
С 1882 года он сблизился с Л.Н. Толстым и стал последователем его религиозно-нравственного учения.
Художник написал новый ряд картин на религиозные сюжеты – «Выход с Тайной вечери», «Что есть истина», «Иуда» («Совесть»), «Суд Синедриона. „Повинен смерти“» (1892) и, наконец, «Распятие» в нескольких вариантах. В то же время он пишет портреты Лихачёвой, Костычева, Н.И. Петрункевича, автопортрет; делает рисунки к повести Л.Н. Толстого «Чем люди живы».
Скончался Николай Николаевич ГЕ 13 июня 1894 года на своём хуторе Ивановский (Черниговская губерния).