Lobachevsky dilahirkan di Nizhny Novgorod, Rusia. Bapanya Ivan Maksimovich Lobachevsky, seorang kerani di dalam pejabat ukur tanah, manakala ibunya Praskovia Alexandrovna Lobachevskaya. Pada tahun 1800, bapanya meninggal dunia ketika Nikolai Ivanovich Lobachevsky berumur 8 tahun, dan ibunya pindah ke Kazan. Di Kazan, Lobachevsky menyertai Gimnasium Kazan dan selepas tamat persekolahannya di sana pada tahun 1807, kemudian menyertai Universiti Negeri Kazan yang diasaskan tiga tahun lebih dahulu pada tahun 1804.

Di Universiti Kazan, Lobachevsky dipengaruhi oleh profesor Johann Christian Martin Bartels (1769–1833), bekas guru dan kawan kepada Carl Friedrich Gauss, ahli matematik Jerman. Lobachevsky menerima ijazah Saujananya dalam bidang fizik dan matematik pada tahun 1811. Pada tahun 1814, beliau menjadi pensyarah di Universiti Kazan, dan menjadi profesor pada tahun 1822. Selain daripada mengajar matematik dan fizik di Universiti Kazan, Lobachevsky juga merupakan guru astronomi di sana. Beliau memegang banyak jawatan pentadbiran dan kemudian menjadi rektor Universiti Kazan antara tahun 1827 hingga 1846.

Pada tahun 1832, Lobachevsky berkahwin dengan Varvara Alexivna Moisieva. Mereka dikurniakan tujuh orang anak. Lobachevsky bersara (atau dipecat) pada tahun 1846 dan selepas itu, kesihatannya merosot dengan pantas.