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.