Мать Николая Ивановича, Татьяна Петровна, украинка из крепостных, как уже упоминалось, приглянулась барину еще девочкой, была отправлена на учебу в Москву в частный девичий пансион и получила хорошее образование и воспитание. Внебрачная связь с Иваном Петровичем привела к рождению ребенка, не усыновленного из-за трагической смерти родителя, принятой от рук собственной дворни. Родня помещика была против женитьбы на крестьянке. Венчание с добродушной и кроткой барышней состоялось где-то в другом месте в сентябре 1817 года, но уже после рождения сына 4 мая.
Старый Костомаров любил свою жену – красавицу и очень умную женщину, но держал ее, как и всех в своем доме, в строгости и на почтительном расстоянии от себя. Татьяна занимала две комнаты и жила в них одиноко с новорожденным сыном, выходя из них редко и только по особому вызову.
Ребенок, одаренный необыкновенной памятью и блестящими способностями, в том числе и к музыке, находился под влиянием отца, который души в нем не чаял, подчеркивая всякий раз перед всеми и особенно перед своими родственниками, что это его наследник; учил сына читать, и смышленый мальчик быстро научился понимать смысл букв и освоил чтение, что приводило Ивана Петровича в восхищение: «Ты у меня умница и честный мальчик. Терпеть не могу лгунишек – и если ты хоть раз солжешь, то я тебе не отец, а ты мне не сын!»
От отца Николаю Ивановичу суждено было унаследовать одну, но пагубную черту – сильную раздражительность.
Начало учебы в 1827 году не предвещало будущему ученому ничего хорошего. Н. И. Костомаров так вспоминал впоследствии об этом периоде своей жизни: «Когда мне минуло десять лет, отец повез меня в Москву. До того времени я нигде не был, кроме деревни, не видал даже своего уездного города. По приезде в Москву мы остановились в гостинице „Лондон“ в Охотном ряду, и через несколько дней отец повел меня в первый раз в театр. Играли „Фрейшнугов“. Несколько дней меня занимало увиденное в театре и мне до чрезвычайности снова хотелось в театр. Отец повез меня. Давали „Князя Невидимку“ – какую-то глупейшую оперу, теперь уже упавшую, но тогда бывшую в моде. Несмотря на мой десятилетний возраст я понял, что между первою виденною мною оперою и второю – большое различие и что первая несравненно лучше второй. Третья виденная мною пьеса была „Коварство и любовь“ Шиллера. Мне она очень понравилась, отец мой был тронут до слез; глядя на него, и я принялся плакать, хотя вполне не мог понять всей сути представляемого события».