Николай Григорьевич Столетов происходил из старинной купеческой семьи города Владимира. Высшее образование он получил в Императорском Московском университете, после чего сделал выбор в пользу военной стези.
История распорядилась так, что последний год обучения Николая в университете совпал с началом Крымской войны 1853-1856 гг. Получив высшее образование, Николай Григорьевич весной 1854 г. отправился добровольцем на фронт. На Крымском театре военных действий он и получил свое боевое крещение. Столетов принимал участие в обороне Севастополя, а также был задействован в отвлекающих операциях, которые предпринимала русская армия: в сражении под Инкерманом в ноябре 1854 г. и в сражении на Черной речке в августе 1855 г.
После Крымской войны Николай Столетов также успел поучаствовать в боевых действиях на Северном Кавказе, куда был переведен в декабре 1859 г. С 1861 г. он участвовал в боях в составе Адагумского отряда (на территории нынешнего Краснодарского края), а в ноябре 1863 г. стал начальником войск Закатальского округа в Дагестане.
В XIX – начале XX века между Россией и Британией происходило геополитическое соперничество за контроль над Центральной Азией, получившее название «Большая игра» (впервые данный термин был употреблен британским офицером Артуром Конолли и затем введен в более широкий оборот писателем Редьярдом Киплингом в его романе «Ким»). Российский же министр иностранных дел граф Нессельроде называл это соперничество «Войной теней», имея в виду то, что дело никогда не доходило до прямого военного противостояния между Российской и Британской империями. Дело в том, что Россия еще в первой половине XIX века пыталась наладить со Средней Азией экономические связи, а также изучить возможность ее завоевания и последующего освоения, однако решительных внешнеполитических действий не предпринимала. Стремление Великобритании проникнуть в эти районы и превратить их в свою колонию стало причиной активизации русской внешней политики на Среднем Востоке во второй половине XIX века. Результатом этой активизации стало полное присоединение Россией Средней Азии до территории, пограничной с Афганистаном, остававшимся на тот момент английской колонией.
Нужно отметить, что Николай Григорьевич Столетов был видным участником «Большой игры». Так, в 1867 г. он был переведен в Туркестан и назначен правителем канцелярии военно-народного управления Туркестанской области (в будущем Туркестанского генерал-губернаторства). В этом же году он посетил Персию и Афганистан в составе дипломатической миссии. В 1869 г. возглавил Красноводский отряд, завоевавший восточный берег Каспийского моря, где тогда же был основан город Красноводск (нынешний Туркменбаши).
В 1874 г. Столетов руководил научной Амударьинской географической экспедицией, к ходе которой была произведена топографическая съемка до 3000 квадратных вёрст и было собрано много значительного научного материала. А после русско-турецкой войны, в феврале 1878 г. генерал Столетов оказался в распоряжении командующего Туркестанским военным округом. С апреля этого же года он руководил дипломатической миссией в Афганистане.
Наибольшую славу военачальника Николай Григорьевич Столетов приобрел в ходе русско-турецкой войны 1877-1878 гг. В середине 70-ых гг. на Балканском полуострове вспыхнули восстания народов, страдавших от османского гнета. Турция, в свою очередь, жестоко подавляла эти выступления. На фоне пассивности стран Западной Европы в Балканском вопросе и отказа Турции следовать по пути мирного урегулирования Россия объявила ей войну в апреле 1877 г. Незадолго до этого, когда стало понятно, что конфликт двух стран неизбежен, генерал Столетов был назначен начальником Болгарского ополчения, которое ему еще предстояло сформировать (октябрь 1876 г.). Эта задача была им успешно выполнена, и к маю 1877 г. были сформированы 6 дружин численностью более 5000 бойцов.
В июне генерал прибыл с Болгарским ополчением на фронт и участвовал в боевых действиях передового отряда генерала Гурко на территории Болгарии, особенно отличившись в сражении при Ески-Загре (июль 1877 г.) и при обороне Шипкинского перевала (июль – декабрь 1877 г.). Позже Николай Григорьевич командовал авангардом колонны генерала Скобелева при переходе через Балканский хребет и в бою за Шейново (январь 1878 г.).
По итогам русско-турецкой войны 1877-1878 гг. полностью независимыми от Османской империи стали Сербия, Черногория и Румыния. Большая часть Болгарии с центром в Софии превратилась в автономное княжество, имевшее свое правительство и национальную армию, хотя и сохранявшее некую вассальную зависимость от Турции. Своей автономией болгары во многом были обязаны именно генералу Столетову, героически воевавшему в сражениях при освобождении Болгарии.