С ранних лет иронически относился к религии. Окончательный разрыв с религией произошел в довольно озорной форме. На спор с мальчишками он принес во рту за щекой из церкви «тело христово» и победоносно выложил его на стол. За чтение «Лекции об Антихристе» Владимира Соловьева школьный священник сделал ему строгое внушение.
В 1901 году он окончил школу первым учеником, но сразу поступить в гимназию не смог. Времени даром не терял, самостоятельно изучал латынь и потом сразу поступил во второй класс наиболее престижной 1-й московской гимназии. Учился практически на одни пятерки, хотя программа классической гимназии была исключительно напряженной, предусматривала изучение иностранных языков, подготовку к поступлению в университет.
Происходившее в это время бурное нарастание революционного движения, широкое распространение в обществе свободолюбивых идей коснулось и гимназистов. В гимназии читали Д. И. Писарева, еще несколько десятков лет назад призывавшего к свержению самодержавия и заключенного в Петропавловскую крепость, создавали кружки, выпускали литературные журналы. В гимназических организациях были сторонники разных революционных партий, но больше всего социал-демократов и социалистов-революционеров. Постепенно Николая все больше привлекала, как он писал, необычайная логическая стройность марксистской теории, эсеровские же теоретические построения стали казаться ему «какой-то размазней», в него вселился дух «буйного протеста» против либерализма. О серьезности революционного кружка, в работе которого Бухарин принимал участие, говорит тот факт, что на одном из его заседаний выступал известный историк-большевик М. Н. Покровский, отличавшийся своими радикальными взглядами и ярко выраженным антилиберализмом.
«В 1-й гимназии, — вспоминала член социал-демократической организации учащихся А. И. Выдрина-Рубинская, — наряду с Бухариным и Файдышем, уже тогда примыкавшими к левому крылу социал-демократии, был и ряд очень активных гимназистов, примыкавших к кадетской партии, позднее составивших ядро университетской кадетской фракции…
В кружок, группировавшийся вокруг Бриллианта-Сокольникова, входили: Николай Бухарин, В. Манцев, П. Попов, Страшунский, Ида Цыпкина, Б. Ягодин, В. Бушуев, Борис и Любовь Лунц, Нечаев и другие. Обслуживал нас П. А. Богданов, бывший в то время студентом Московского технического училища».[5] (Богданов в 1921―1925 гг. был председателем ВСНХ РСФСР.)
Членами оргкомиссии московского комитета ученической социал-демократической организации были Г. Бриллиант, Н. Бухарин, С. Членов, А. Выдрина, И. Эренбург и другие.