В 1932 году Н. Ф. Гастелло начал службу в Красной Армии. С ноября 1934 года он стал первым пилотом тяжелого бомбардировщика ТБ-3. Принимал участие в боях с японцами в районе реки Халхин-Гол летом 1939 года, в Освободительном походе 1939 года и в советско-финляндской войне 1939-1940 гг.
К началу Великой Отечественной войны Н. Ф. Гастелло, освоивший дальний бомбардировщик ДБ-3Ф, командовал 2-й эскадрильей 207-го дальнебомбардировочного авиаполка. 26 июня 1941 года, выполняя задание по нанесению бомбового удара в районе Молодечно-Радошковичи, его самолет был подбит. Гастелло с экипажем, включая лейтенанта А. А. Бурденюка, лейтенанта Г. Н. Скоробогатого и старшего сержанта А. А. Калинина, не пытались спастись, а направили горящую машину на колонну немецких автомобилей. 26 июля 1941 года Н. Ф. Гастелло был удостоен звания Героя Советского Союза посмертно. По примеру Гастелло более 500 советских летчиков совершили «огненные тараны» за годы Великой Отечественной войны, что значительно превышает общее число японских камикадзе.
В сентябре 1942 года, в боях под Ржевом, погиб родной брат Н. Ф. Гастелло — Виктор Францевич Гастелло.