Citoyen soviétique de nationalitétchouvache[1], il envisage d'abord d'étudier lamédecine avant d'entreprendre des études desylviculture. Mais à la suite de son service militaire, il choisit d'entrer dans l'armée de l'air soviétique[2].
En 1956 son avion de chasse a un problème technique, mais il parvient à se poser d'urgence dans un champ. Le fait qu'il ne s'éjecte pas, signe d'un sang-froid prononcé, impose le respect.
Le il est sélectionné dans le1er groupe militaire (TsPK-1)[2], une sélection de cosmonautes militaires issus de l'armée de l'air.
Il est cosmonaute de réserve pourVostok 2. Le, à bord deVostok 3, il réalise le premier vol groupé dans l'espace avec la missionVostok 4. Le vol dure3 jours,22 heures et22 minutes et établit un nouveau record de durée[2].
Entre 1966 et 1968, Nikolaïev passe un diplôme d'ingénieur pour évoluer dans sa carrière[2]. Il devient en 1968 directeur adjoint de l'entraînement des cosmonautes à la suite de lamort de Youri Gagarine[2].
Le Nikolaïev se rend auKremlin pour une cérémonie officielle. À l'avant d'un convoi de limousines fermées, Beregovoï se tient avec les cosmonautesLeonov,Beregovoï etTereshkova dans uneZIL 111 décapotable et ils saluent la foule dense qui s'est rassemblée sur leur passage. Un homme, croyant avoir affaire au premier secrétaireLeonid Brejnev, ouvre le feu à huit reprises sur la décapotable lorsque celle-ci s'approche de la porte Borovitski qui marque l'entrée du Kremlin. Le chauffeur est tué mais Nikolaïev et ses collègues ne sont pas touchés. Cetattentat contre Brejnev a été perpétré par un lieutenant qui par la suite fut déclaré fou et placé en hôpital psychiatrique. L'événement fut pratiquement étouffé par les responsables soviétiques[3],[4].
Il est placé cosmonaute de réserve pourSoyouz 8 après son échec à certains tests[2]. Le, il est le commandant du volSoyouz 9, d'une durée de plus de17 jours et16 heures, nouveau record de l'époque, revenant sur Terre le. Il quitte peu après le service actif[2].
Contrôleur de vol des missionsSoyouz 13,14,16 et17, il occupe jusqu'en 1981 un poste à responsabilité dans l'entraînement des cosmonautes, puis il quitte définitivement le corps des cosmonautes le[2]. Il divorce la même année[2].
À sa mort àTcheboksary, capitale de sa région d'origine, sa fille demande qu'il soit enterré au cimetière de laCité des étoiles, mais il est enterré dans son village natal sur ordre des autorités locales.