Поликарпов родился в селе Георгиевском, Орловской губернии, 8 июня 1892 года. Его отец, сельский священник, хоть и был религиозным человеком, все же тяготился условиями жизни, в которые было поставлено низшее духовенство, и совсем не стремился к тому, чтобы дети, следуя вековой традиции рода, стали служителями культа.
Семья, состоявшая из девяти человек, для сносного материального существования должна была собственными силами обрабатывать землю. Георгиевский священник сам трудился с детьми в поле, прививая им уважение к труду и любовь к природе.
Сначала Николай Поликарпов учился в Ливенском духовном училище, по окончании которого в 1907 году перешел в Орловскую духовную семинарию. Детей священнослужителей обучали в духовных учебных заведениях бесплатно. По программе духовных семинарий строго «богословскими» были только два последних класса. Первые четыре года посвящались изучению общеобразовательных предметов, и семинаристы, не собиравшиеся священствовать, обычно покидали семинарию по прошествии четырех лет. Так поступил и Поликарпов. Он подготовился еще в семинарии дополнительно за восемь классов гимназии, сдал экстерном экзамен на аттестат зрелости при орловской гимназии в 1911 году, причем получил высшие отметки по всем предметам, и поступил в Петербургский политехнический институт на механическое отделение.
Не оставляя механического отделения, Поликарпов зачислился на Курсы авиации и воздухоплавания, открытые в 1913 году при кораблестроительном отделении института. Это были первые в России теоретические курсы по воздухоплаванию и авиации. Высокие традиции института сказались на прекрасной постановке преподавания на курсах под руководством К. П. Боклевского — одного из замечательнейших русских профессоров. В течение двух лет на курсах выполнялись учебные проекты аэростата, дирижабля, моноплана и двухклапанного ротативного мотора.
В начале 1916 года Поликарпов одновременно получил диплом инженера-механика и окончил Курсы авиации и воздухоплавания.
Высшие учебные заведения в России всегда отличались широтой и некоторой энциклопедичностью своих учебных программ, так что русские инженеры никогда не бывали узкими специалистами. Но студентам зато и приходилось или просиживать лишний год-два на одном курсе, или работать с великим напряжением всех своих сил.
Что же дало возможность Поликарпову при таких условиях не только одновременно проходить курс авиации и учиться на механическом отделении, но и окончить институт первым из наборов 1910 и 1911 годов?
«Мое здоровье выдержало эту бешеную работу на двух отделениях института, как раньше оно выдерживало прохождение семинарского курса и одновременную подготовку к экзаменам на аттестат зрелости, потому, — говорит Николай Николаевич в своих автобиографических заметках, — что физический труд в детские годы, затем гимнастика в семинарии, в институте закалили меня, а школа воспитала во мне чувство ответственности, трудоспособность, простоту в образе жизни. В то время все братья и сестры мои — семь человек — учились, и отец с матерью отказывали себе во всем, чтобы содержать нас. Мы это понимали и учились изо всех сил…»
Физическая выносливость и желание поскорее стать на ноги, чтобы помогать семье, а не обременять ее, конечно, имели большое значение для юноши. Но, несомненно, еще большее значение уже в этот период, как и во всей творческой жизни Поликарпова, имел особый склад ума, постигавшего предмет в целом, так, что частности и подробности вытекали естественно из самого знания предмета, а не зазубривались по учебнику.
Высокая требовательность к студентам со стороны деканата Курсов авиации, в сущности говоря, оправдывалась только традициями института, а вовсе не блестящим состоянием аэродинамической науки, основы которой тогда закладывал Н. Е. Жуковский. Поликарпову и его товарищам приходилось не только слушать лекции и заниматься по учебникам, но еще самостоятельно рыться в источниках и размышлять.
Н. Н. Поликарпов.
Через день после окончания института Поликарпов был направлен на Русско-Балтийский воздухоплавательный и авиационный завод в Петербурге. Там он вскоре стал заведующим производством.
Поликарпов непосредственно участвовал в последовательном выпуске всех типов «Ильи Муромца» — от «В» до «Е» — с четырьмя моторами «Рено» по 220 лошадиных сил, со скоростью до 135 километров в час, при полезной нагрузке в 1,5 тонны. Молодой инженер участвовал в опытах, «доводил» машину.