Микола Хвильовий народився 1 грудня 1893 р. в селищі Тростянець на Харківщині (нині – місто в Охтирському районі Сумської області) у родині вчителів.
Батько, Григорій Олексійович Фітільов, був із дворян, у повсякденний час, як писав сам Хвильовий рос. «в высшей степени безалаберным человеком» і п’яницею. Розмовляв російською, і саме завдяки йому хлопець «рано перечитав російських класиків, добре познайомився із зарубіжними — Дікенсом, Гюго, Флобером, Гофманом».
Навчався у початковій школі в селі Колонтаєві, де вчителювала його мати, Єлизавета Іванівна (до заміжжя — Тарасенко), потім продовжив навчання в Охтирській чоловічій гімназії, яку був змушений залишити через участь у «так званому українському революційному гуртку», а згодом в Богодухівській гімназії, звідки був виключений за зв’язки з соціалістами під час революційних заворушень.
Підлітком мандрував у пошуках заробітку Донбасом і півднем України. Пізніше працював слюсарем у ремісничій школі, у канцелярії волосної управи села Рублівки, брав участь у роботі місцевої «Просвіти». Від 1916 року — учасник Першої світової війни. Вишкіл в окопах війни, громадянська війна сформували в ньому переконаного більшовика. На чолі повстанського загону, який він організував наприкінці 1918 року на Харківщині, воював проти гетьманців, німців, дроздовців, армії УНР.
У квітні 1919 року вступив до КП(б)У. Цього ж року одружився з учителькою Катериною Гащенко, вона йому народила дочку Іраїду, але цей шлюб швидко розпався через зраду з боку Хвильового.
На початку 1921 року їде «завойовувати» столицю — Харків. Працював слюсарем на заводі. Одружився з Юлією Уманцевою, яка мала дочку від першого шлюбу — Любов, її Хвильовий приймав як рідну і ніжно називав Любистком. Того ж року почав друкуватися в газетах і журналах, в альманахах «Штабель», «На сполох». Активно заявив про себе, як один із організаторів літературно-художнього життя, член-засновник багатьох тогочасних літературних організацій: спочатку «Гарт» (1923); саме в нього зародилась ідея створення напівофіційної студії «Урбіно», що збиралась у нього ж на квартирі і була прообразом ВАПЛІТЕ (1924); потім були ВАПЛІТЕ (1926) (віцепрезидент), ВУСПП (1927), «Пролітфронт» (1930).
У 1920-ті роки повністю підтримував і впроваджував у життя політику «українізації», виступав проти русифікаційного і «просвітянського» векторів розвитку української радянської культури. У 1925 році в газеті «Культура і побут», редактором якої був Василь Еллан-Блакитний, Хвильовий опублікував статтю «Про „сатану в бочці“, або про графоманів, спекулянтів та інших просвітян», якою фактично зініціював літературну дискусію 1925—1928 років. До кінця 1925 року опублікував книгу памфлетів під назвою «Камо грядеши?», а в 1926 — «Думки проти течії»; того ж року в газеті «Культура і побут», додатку до газети «Вісті ВУЦВК», надрукував наступну серію памфлетів «Апологети писаризму». Своєрідним продовженням цих памфлетів стала знаменита стаття «Україна чи Малоросія?», яка однак, за життя автора так і не з’явилася друком. У цих творах автор висловив вимогу перед новою українською літературою припинити наслідувати Москву й орієнтуватися на «психологічну Європу». Вважав, що на зміну провідній ролі Європи в культурному процесі має прийти «євразійський Ренесанс», у якому провідну роль відводив новій українській культурі.
З позицією Хвильового солідаризувались українські націонал-комуністи, літературна група «неокласиків» на чолі з М. Зеровим та широкі кола національно свідомої української інтелігенції. Влітку 1926 року, у розпал літературної дискусії, з’явилася друком перша частина роману «Вальдшнепи», де його персонажі, так само невтомно полемізуючи, дошукуються відповідей на найгостріші питання доби, порушують болючі проблеми національного буття, національно-культурного відродження України, осмислюючи непрості уроки революції. Проте саме ці роздуми були піддані нищівній критиці. Незважаючи на це, Хвильовий пристрасно заперечував так званий масовізм, профанацію мистецтва, зведення його до ролі ідеологічного обслуговування партійної й державної політики, наголошував на необхідності позбутися залежності від «російського диригента», адже для більшості тогочасних літераторів було властиве намагання копіювати готові форми і художні засоби російської літератури. Хвильовий вважав таке безглузде копіюванням раболіпством, яке ніколи не дасть справді високохудожнього твору.
Микола Хвильовий намагався розтлумачити зміст висунутих ним закликів і гасел («Геть від Москви!», «До психологічної Європи», «Азіатський ренесанс»), пояснював опонентам, що зовсім не закликає до розриву політичного і економічного союзу з Радянською Росією. Однак дискусія набрала політичного звучання, тож культурологічні проблеми вже не бралися опонентами до уваги. Був підданий критиці радянською владою. У листі «Тов. Кагановичу та іншим членам ПБ ЦК ВКП(б)У» від 26 квітня 1926 року Й. Сталін вказав на виступи Хвильового як прояви поширення антиросійських настроїв в Україні. Лист став сигналом для гострої критики з боку московського та республіканського керівництва (виступи та статті Л. Кагановича, А. Хвилі, В. Чубаря, Г. Петровського). Разом з О. Шумським і М. Волобуєвим був трактований як провідний ідеолог однієї з трьох течій «націонал-ухильництва» всередині комуністичної партії («хвильовізму», «шумськізму» і «волобуєвщини»). Намагаючись врятувати ВАПЛІТЕ від розпуску, Хвильовий в 1926—1928 роках змушений був публічно засудити свої погляди та відмовитися від них. У 1927 році працівники ГПУ УСРР заводять справу-формуляр С-183, починається стеження за діяльністю Хвильового.
У грудні 1927 — березні 1928 року Хвильовий перебував у Берліні та Відні на лікуванні й активно знайомився з досягненнями європейської культури, працював у плані популяризації української літератури за межами України. Під час перебування в Берліні та Відні Хвильовий веде активне листування з Аркадієм Любченком, з якого видно, що німецька культура справила на письменника надзвичайне враження. У листі Любченку від 16 грудня 1927 року він пише, що «подивитись є що. Це свідчить хоч би той же Берлін, що в ньому я живу уже кілька днів». У наступній кореспонденції Хвильовий рекомендує Любченку, як і всім «ваплітянам», відвідати Європу, при цьому наголошує, що «в Німеччину обов’язково треба завітати, а далі вже Італія, Франція…» В одному з листів зі столиці Австрії від 2 березня 1928 року Хвильовий цікавиться у свого адресата: «Як справа з перекладами на німецьку мову? За всяку ціну ми мусимо вивести нашу літературу на широку європейську арену. Словом, треба мужатись — наше „впереді“».
У січні 1928 року, перед поверненням до України, у листі до газети «Комуніст» він вимушено засудив своє гасло «Геть від Москви!». Після повернення продовжував втілювати попередню ідеологічну орієнтацію ВАПЛІТЕ у створених ним журналах «Літературний ярмарок» (1928—1930) та «Пролітфронт» (1930—1931). Після закриття обох журналів пробував писати, дотримуючись «партійної лінії», однак був майже цілком ізольований від літературного життя радянським режимом.
Навесні 1933 року письменник разом з Аркадієм Любченком побував на Полтавщині, де на власні очі бачив трагедію Голодомору. З цієї подорожі повернувся фізично й морально розбитим. В атмосфері шаленого цькування, можливо, передчуваючи наближення тотального терору, після арешту свого приятеля письменника Михайла Ялового на знак протесту проти початку масових репресій проти української творчої інтелігенції 13 травня 1933 року в Харкові, у будинку письменників «Слово», покінчив життя самогубством. Смерть Хвильового стала символом краху ідеології українського націонал-комунізму й кінця українського національного відродження 1920–1930-х років. Твори та ім’я Хвильового залишалися забороненими аж до останніх років існування тоталітарного режиму в Україні.