Николай Александрович Морозов родился 25 июня 1854 года в имении Борок Ярославской губернии. Матерью его была крепостная крестьянка А. В. Морозова; отец - молодой богатый помещик Щепочкин, который влюбился в свою крепостную, дал ей вольную и женился на ней. Сын от этого брака (не освященного церковью) получил фамилию матери.

Николай Морозов воспитывалс в доме отца, отличаясь с детства большой любознательностью и особым пристрастием к естественным наукам: он собирал гербарии и коллекции минералов, читал книги из домашней библиотеки, по ночам забирался на крышу дома и часами изучал звездное небо. Пребывание Морозова в московской  классической  гимназии, куда он поступил в 1869 году, было непродолжительным. За активное участие в организации "тайного общества естествоиспытателей гимназистов" и издание рукописного нелегального гимназического журнала, в котором наряду с научными статьями помещались и заметки на политические темы, Морозов был исключен из 6-го класса.

В начале 1870-х годов Морозов знакомится с видными революционерами-народниками С. М. Кравчинским, Д. А. Клеменцем и другими и вскоре принимает участие в пропаганде освободительных идей среди крестьянства. В этой работе, переодеваясь и выдавая себя то за кузнеца, то за сапожника, Морозов проводит лето 1874 года, переходя из деревни в деревню, ведя беседы с крестьянами, читая и распространяя среди них запрещенную  литературу. Когда начались массовые аресты среди народников, Морозов возвращается в Москву, где подвергается преследованию полиции.

Вскоре, в том же 1874 году, он вынужден был уехать за границу. В Женеве Морозов устанавливает связи с русскими эмигрантами, становится редактором бакунинского журнала "Работник", сотрудничает в лондонской газете "Вперед!", издаваемой П. Л. Лавровым. Здесь же он был принят в члены Интернационала. В 1875 году он пытается вернуться в Россию нелегально, но на границе его задерживают  жандармы, как одного из "самых опасных русских заговорщиков". {Под  этим  определением фамилия Морозова значится в списке лиц, который был тайно разослан правительством по всем полицейским учреждениям империи для усиленного розыска и препровождения в тюрьму.}

С 1875 по 1878 год Морозов провел в Петербургском доме предварительного заключения. Не теряя времени даром, пытаясь, по возможности, заниматься математикой, физикой, астрономией, он в тюрьме изучал иностранные языки, готовился к деятельности профессионального революционера. Там были написаны и первые его стихотворения. Во время заключения Морозов привлекался к суду по "процессу  193-х", который длился почти три месяца. В результате он был вновь приговорен к тюремному заключению, но ему был зачтен трехгодичный срок его пребывания в тюрьме.

По выходе из тюрьмы Морозов, узнав, что приговор над ним подлежит пересмотру, как "слишком мягкий", тотчас же переходит на нелегальное положение. К этому времени относится его вступление в организацию революционных народников "Земля а воля", где он вскоре становится одной из руководящих фигур. Вместе с Г. В. Плехановым он редактирует журнал "Земля и воля". Ввиду наметившихся разногласий с Плехановым, отрицавшим индивидуальный террор как метод политической борьбы, Морозов создает особый орган - "Листок "Земли и воли"", посвященный пропаганде террора, и, наконец, в 1879 году входит в состав террористической группы с девизом "Свобода или смерть", тайно возникшей внутри "Земли и воли". После окончательного раскола "Земли и волн" Морозов был членом Исполнительного комитета "Народной воли" (в него входили также А. И. Желябов, С. Л. Перовская, А. Д. Михайлов, В. Н. Фигнер и другие) и редактором ее печатного органа.

Следуют одно за другим покушения на Александра II, в подготовке которых Морозов принимает активное  участие. В 1880 году  ему вновь приходится эмигрировать за границу. Во время своей поездки в Лондон он знакомится и беседует с К. Марксом.

Извещенный письмом Софьи Перовской о необходимости его возвращения на родину, Морозов в 1881 году делает вторичную попытку перейти русскую границу и вновь попадает в руки жандармов. В 1882 году по "процессу 20-ти" Морозов был присужден к пожизненному заключению, которое отбывал сначала в Алексеевской равелине Петропавловской крепости (4 года), а затем, с 1834 года, - в Шлиссельбургской крепости (21 год). Он был освобожден по амнистии только осенью 1905 года, после 25-ти лет одиночного заключения.

Все годы пребывания в Шлиссельбургской крепости Морозов посвятил разработке занимавших его научных вопросов, главным образом в области химии и астрономии. Невероятным усилием воли он заставлял себя работать, писать, делать вычисления, составлять таблицы. Это позволило ему тотчас после выхода из тюрьмы опубликовать одну за другой свои работы: "Периодические системы строения вещества" (1907), "Д. И. Менделеев и значение его периодической системы для химии будущего" (1908). Тогда же, во время заточения, было создано и большинство его стихотворений, напечатанных им в книге "Звездные песни". Выход этой книги в 1910 году вызвал судебное преследование и новое годичное заключение, которое Морозов  отбывал в Двинской крепости. Год пребывания в тюрьме Морозов использовал для написания своих мемуаров. {"Повести моей  жизни", тт. 1-4, Пг., 1916-1918 (изд. 3-е - тт. 1-2, М., 1965).}

После Октябрьской революции Морозов целиком посвятил себя научно-педагогической и общественной деятельности. Он был избран директором Естественно-научного института имени П. Ф. Лесгафта, почетным членом Академии наук СССР.

Перу Морозова принадлежат книги "Откровения в грозе и буре" (1907) и "Христос" (семитомный  труд 1924-1932 годов), в которых он на основе данных астрономии и геофизики пытался обосновать совершенно новую концепцию всемирной истории, не  представляющую научной ценности, но по-своему примечательную.

Последние годы  Морозов жил на родине, в имении Борок Ярославской области, которое было закреплено за ним по личному указанию В. И. Ленина.

Умер Морозов на 93-м году жизни, 30 июля 1946 года.

Стихи Морозова 1870-1880-х годов печатались в сборниках и периодических изданиях вольной русской печати за рубежом; также за границей был издан и первый  сборник  стихов Н. А. Морозова "Стихотворения 1875-1880" (Женева, 1880). Революционные  события 1905 года и последовавшая за ними амнистия Морозова дали возможность опубликовать первые легальные сборники его стихотворений: "Из стен неволи. Шлиссельбургские мотивы" (Ростов-на-Дону, СПб., 1906) и "Звездные песни" (М., 1910).  Только после Октябрьской революции был издан почти исчерпывающий свод поэтических произведений Морозова: "Звездные песни. Первое полное издание всех стихотворений до 1919 г." (кн. 1-2, М., 1920-1921).