Удивительно – человек, командовавший эскадрильей сказочных, быстрых бомбардировщиков, остался таким же московским рабочим, какими были все родные его. У него имелся большой набор слесарных инструментов, и всюду он возил с собой паяльники, пилы, стамески, молотки, напильники. Все знали, что у Гастелло можно достать любой инструмент, и часто командиры, такие же рабочие, как и он, ходили к нему занять паяльную лампу либо какую-нибудь иную слесарную снасть.
В мае 1932 года Николай Гастелло по специальному набору призван в Красную Армию и отправлен на учебу в 11-ю военную авиационную школу пилотов в город Луганск. Учебу окончил в декабре 1933 года и начал служить в 82-й эскадрилье 21-й тяжелобомбардировочной авиационной бригады, базировавшейся в городе Ростове-на-Дону. Начав летать правым летчиком на бомбардировщике ТБ-3, Николай с ноября 1934 года уже самостоятельно пилотировал самолет.
Сестра Нина Гастелло вспоминала: «Курсантом приезжал он домой на побывку, в военной форме с голубыми петлицами, стройный, интересный. Мне было очень приятно пройтись с братом по московским улицам, на нас обращали внимание, девушки посматривали нам вслед. Не раз была у него в Ростове-на-Дону. Он здесь служил, был командиром. В моей памяти он таким и остался – веселым, красивым. Вернется из полета усталый, но всегда улыбнется, обязательно какую-нибудь смешную историю расскажет».
В 1938 году в результате реорганизации воинской части Гастелло оказался в 1-м тяжелобомбардировочном авиационном полку. В мае 1939 года он стал командиром звена, а через год с небольшим – заместителем командира эскадрильи. В 1939 году участвовал в боях при Халхин-Голе (Монголия) в составе 150-го скоростного бомбардировочного авиационного полка, которому была придана его эскадрилья. Участвовал в советско-финской войне 1939–1940 годов.
Осенью 1940 года его авиационная часть перебазируется в город Великие Луки, а затем – в авиагородок Боровское под Смоленском.
В 1940 году Гастелло присвоено звание капитана. Весной 1941 года он прошел переподготовку и освоил самолет ДБ-3ф (Ил-4).
С 24 мая 1941 года Гастелло – командир эскадрильи.
Для капитана Гастелло война началась 22 июня 1941 года в 5 часов утра. Вылетев со своего аэродрома в районе Смоленска, самолеты пошли на запад на бомбежку гитлеровских войск. На третий день войны, когда экипажи на стоянках самолетов изучали боевое задание, над аэродромом появился немецкий разведчик «Юнкерс-88». Выпустив шасси, будто собирается сесть, он промчался на малой высоте и обстрелял советские бомбардировщики. Уверенный в своей безнаказанности, фашист решил повторить заход. Но просчитался. Николай Гастелло под пулями бросился в кабину своего самолета и метким огнем из крупнокалиберного пулемета подбил гитлеровца. Перепуганный экипаж совершил вынужденную посадку неподалеку от аэродрома и был взят в плен.
26 июня 1941 года экипаж под командованием капитана Н. Ф. Гастелло в составе лейтенанта А. А. Бурденюка, лейтенанта Г. Н. Скоробогатого и старшего сержанта А. А. Калинина на самолете ДБ-3ф вылетел для нанесения бомбового удара по немецкой механизированной колонне на белорусской дороге Молодечно – Радошковичи в составе звена из двух бомбардировщиков. Огнем немецкой зенитной артиллерии самолет был подбит. Вражеский снаряд повредил топливный бак, и Гастелло совершил огненный таран – направил горящую машину на механизированную колонну врага. Все члены экипажа погибли.
Через день газета авиационной части, в которой служил герой, сообщала: «На землю сверкающей ракетой падал смертельно раненный самолет Гастелло. Он направил свой гибнущий, превращенный в огненный факел самолет в самый центр скопления вражеских танков. Огромное пламя охватило все кругом… Какую же надо иметь силу воли, чтобы в предсмертное мгновение оказаться достойным такого подвига… Так до последней минуты, не выпуская из полусожженных рук рычаги управления, с честью выполнил товарищ Гастелло ту самую клятву, которую когда-то он дал перед лицом любимой страны – своей Родины».