Gdy Mykoła miał pięć lat, zauważono jego talent muzyczny i zatrudniono nauczycielkę muzyki. Już od wczesnego dzieciństwa Łysenko interesował się poezją Tarasa Szewczenki i ukraińskimi pieśniami ludowymi, do których miłości nauczyli go wuj i babcia.
Po ukończeniu edukacji domowej, w celu przygotowania do wstąpienia do gimnazjum, Mykoła przyjechał do Kijowa, gdzie trzy lata spędził pobierając naukę w szlacheckim pensjonacie Weila. Okazało się, iż młody Mykoła robi wielkie postępy zwłaszcza w nauce muzyki i już w pierwszej klasie, czyli w wieku 9 lat, skomponował pierwszy udany utwór – polkę, która została nawet wydrukowana w Kijowie, stając się pierwszą wydaną pracą Łysenki.
W 1855 Mykoła wstąpił do 2. Charkowskiego Gimnazjum, które ukończył ze srebrnym medalem wiosną 1859. Podczas nauki w gimnazjum z zamiłowaniem oddawał się muzyce, stając się z czasem znanym w Charkowie pianistą. Był zapraszany na wieczorki i bale, podczas których wykonywał utwory Beethovena, Mozarta, Chopina, grał do tańca i improwizował na tematy ludowych pieśni ukraińskich.