Uczony Mikołaj Michajłowicz nie posiadał prawdziwego talentu wojskowego ani też zamiłowania do życia armijnego. Uwielbiał naukę i kształcenie się. Błagał swego ojca by ten zezwolił mu na wstąpienie na uniwersytet, ale Wielki Książę Michał Mikołajewicz stanowczo się temu sprzeciwiał. Aby zadowolić ojca Mikołaj rozpoczął studia w Nikołajewskiej Akademii Sztabu Generalnego, gdzie zresztą wyróżniał się w nauce. Nie był stworzony do życia wojskowego i o wiele więcej przyjemności sprawiało mu studiowanie motyli czy badania historyczne. Wstępując do wojska, jak czynili to wszyscy przedstawiciele rodziny Romanowych, wielki książę ostatecznie nabrał do armii zdecydowanie negatywnego stosunku i był jedynym przedstawicielem rodziny, który formalnie wystąpił ze służby wojskowej.
Od najmłodszych lat spędzonych na Kaukazie, Mikołaj rozwijał w sobie zainteresowanie botaniką. Zebrał też niezwykle cenną kolekcję rzadkich motyli, którą później podarował Akademii Nauk jednocześnie publikując dziesięciotomowe dzieło zatytułowane Rozważania na temat Łuskoskrzydłych (Lepidoptera). Naukowe zainteresowania przyrodnicze obejmowały także inne działy, w tym w szczególności pomologię. Mianowano go prezesem Rosyjskiego Towarzystwa Pomologicznego, wyhodował też bezpestkową mandarynkę.