Уже в харьковский период жизни Н. Костомаров начал склоняться к мысли о том, что среди славянских народов именно украинскому, создавшему богатейшую фольклорно-песенную традицию и развившему демократические идеалы и институты казачества, принадлежит особая миссия в деле освобождения всех славян от имперского деспотизма и крепостнического рабства. В стихах и поэмах тех лет он воспевает княжеские и казацкие времена в Украине. Свои поэтические произведения Костомаров печатает в различных альманахах и издает в виде сборников «Украинские баллады» (1838) и «Ветка» (1840) под псевдонимом Иеремия Галка. В те же годы он под влиянием творчества В. Шекспира создает историческую драму «Савва Чалый» (1838) и трагедию «Переяславская ночь» (1841), получившие высокую оценку В. Г. Белинского.
В 1840 году Н. Костомаров сдал магистерские экзамены и приступил к подготовке диссертации, посвященной Брестской унии 1596 г. Однако работа эта, называвшаяся «О причинах и характере унии в Западной России» не была защищена из-за запрета министерства народного просвещения. Диссертация увидела свет в 1841 году как отдельная книга. Однако это обстоятельное, объективное исследование вызвало яростные протесты со стороны церковной власти, увидевшей в нем отход от официальной трактовки щекотливой и неизменно актуальной для Украины проблемы. После публичного заявления архиепископа харьковского Иннокентия Борисова о «возмутительном содержании» книги молодого ученого назначенная уже защита не состоялась. Накануне защиты в стенах университета появилось объявление о том, что защита диссертации Костомарова откладывается «по непредвиденным обстоятельствам». Спустя месяц пришел официальный отзыв, подписанный профессором Н. Г. Устряловым, с предписанием министра народного просвещения С. С. Уварова уничтожить весь тираж издания.
Вторая, подготовленная за полтора года диссертация Н. Костомарова называлась «Об историческом значении русской народной поэзии», идеологических нареканий не вызвала и была успешно защищена в 1844 г. Н. Костомаров получил звание магистра и возможность сосредоточиться на научной работе, сочетая ее с педагогической деятельностью. Темой его нового исследования стала история Богдана Хмельницкого. Же-мая оказаться ближе к местам основных сражений времен Освободительной войны, Николай Иванович отправился учительствовать на Волынь, к гимназию городка Ровно. Однако в провинциальной глуши он быстро ощутил нехватку литературы и общения с образованными людьми. Поэтому уже в 1845 г. переехал в Киев, где стал работать старшим учителем Первой гимназии, сразу же сойдясь с наиболее авторитетным и влиятельным и то время в городе ученым М. Максимовичем. По воспоминаниям ученика Костомарова, впоследствии прославленного художника Н. Ге, Николай Иванович вскоре стал самым любимым учителем у гимназистов. Его уроки были для них настоящим «духовным праздником». Весной 1846 г. ученый совет Киевского университета избрал Н. Костомарова преподавателем русской истории, а с 1 августа — адъюнкт-профессором. С осени он начал читать лекции, вызывавшие живой интерес у студентов. С этого времени Костомаров углубился в масштабную работу по изучению истории Украины, которую развернул М. Максимович. Тогда же Н. Костомаров сблизился с выдающимся киевским самобытным религиозным философом П. Авсеневым, читавшим лекции по философии и психологии в Киевской духовной академии и Киевском университете, философско-психологические труды которого отмечены особым интересом к «ночной стороне» человеческой души — сфере подсознательного, а мысль о том, что человеческая душа может общаться с миром непосредственно, без участия органов чувств и разума, предвосхищает идеи интуитивизма А. Бергсона и Н. Лосского. Внимание киевского философа привлекали и проблемы этнопсихологии, точнее, культурно-психологические особенности отдельных национально-цивилизационных типов, что было чрезвычайно близко Н. Костомарову. Опережая А. Хомякова и В. Соловьева, Авсенев утверждал, что на Западе преобладает элемент индивидуализма, а на Востоке — тотальности, тогда как российский, славянско-православный тип души гармонически синтезирует одно и другое. Такие взгляды, а также глубоко праведная жизнь, сближавшая П. Авсенева с образами Г. Сковороды или С. Гамалии, произвели неизгладимое впечатление на Н. Костомарова и его новых киевских друзей.
Яркая фигура Николая Ивановича Костомарова, человека высокообразованного, искреннего и доброжелательного, привлекала многих молодых киевлян, в частности, В. Белозерского, Н. Гулака, П. Кулиша и А. Марковича. В декабре 1845 — январе 1846 года они образовали славянофильско-украинское Кирилло-Мефодиевское братство, к которому вскоре присоединился и Тарас Шевченко, наезжавший в Киев из Петербурга с 1843 года и окончательно перебравшийся в город на Днепре весной 1845-го. Своей задачей братчики видели распространение передовых идей «славянской взаимности». Вскоре был написан устав общества, названного в честь великих просветителей — святых Кирилла и Мефодия. Устав предусматривал полную свободу вероисповедания, «отвержение иезуитского правила об освящении средств целями», изучение славянских языков и культур.
Большинство кирилло-мефодиевцев, в том числе и сам Н. Костомаров, были людьми глубоко религиозными, а народнический пафос носил у них характер почти религиозной веры. Но если Н. Костомаров, Н. Гулак и В. Белозерский были больше славянофилами, чем людьми, преданными собственно украинской идее, то П. Кулиш и Т. Шевченко образовывали патриотически-украинское крыло.
Программные документы кирилло-мефодиевцев, и прежде всего написанная Н. Костомаровым «Книга бытия украинского народа», отражают влияние документов польского освободительного движения, в частности «Книги народа польского и пилигримства польского» А. Мицкевича, изданной в Париже в 1832 г. Не меньшее влияние на историко-политическое мышление братчиков оказала и «История русов» — патриотическое украинофильское произведение, вышедшее на рубеже XVIII–XIX веков из кругов левобережного, оппозиционно настроенного по отношению к российскому самодержавию украинского дворянства и отстаивавшее традиционные права и свободы казацкой Украины.
Члены Кирилло-Мефодиевского братства свои идейно-политические идеалы и стремления изложили в нескольких программных документах-прокламациях: «К братьям украинцам» и «К братьям великорусам и полякам», в «Уставе» и упоминавшейся «Книге бытия украинского народа». Они стремились к перестройке общества на основах христианского учения о справедливости, равенстве и свободе людей путем его всестороннего и радикального реформирования.
Оформившись в идейном отношении, кирилло-мефодиевцы намеревались перейти к практической деятельности, пропагандируя свои убеждения среди населения. При этом Н. Гулак, близкий к декабристскому радикализму П. Пестеля, не исключал применения насильственных методов борьбы, а Т. Шевченко даже мечтал о народном восстании. Но до практического воплощения этих намерений дело не дошло. Студент Петров, снимавший квартиру в одном доме с Н. Гулаком, подслушивал разговоры друзей. Он завел с ними знакомство и вскоре вошел в доверие к братчикам. 3 марта 1847 года Петров написал донос попечителю Киевского учебного округа генерал-майору Траскину. Он сообщал, что «слышал у Гулака собрание людей и рассуждения о предметах, касающихся до государства, проникнутые совершенно идеей свободы…». Бумага была немедленно переправлена в Петербург начальнику III отделения его императорского величества собственной канцелярии графу Орлову. 17 марта Орлов сообщил об обществе наследнику престола Александру Николаевичу с просьбой разрешить аресты в Киеве.
Киевский гражданский губернатор И. Фундуклей, меценат и большой любитель древностей, с большим уважением относился к Н. Костомарову. За несколько недель до этих событий он дал Николаю Ивановичу для отзыва и замечаний свою рукопись книги «Обозрение Киева в отношении к древностям» (она была напечатана в 1847 году). Узнав о готовящемся аресте, Фундуклей пытался своевременно предупредить Н. Костомарова об опасности. В отправленной с посыльным записке он просил Костомарова срочно зайти к нему. Но историк, поглощенный заботами предстоявшей через несколько дней свадьбы с Алиной Крагельской, не нашел времени заехать к губернатору. В ночь на 30 марта 1847 года Н. И. Костомаров был взят под стражу и отправлен в Петербург. Теперь уже И. Фундуклей ничем не мог помочь Николаю Ивановичу. Костомаров пребывал в ужасном состоянии. Отчаявшись, он решил заморить себя голодом в дороге. Обессиленный, он едва мог встать с повозки. Квартальный-провожатый, заметив состояние своего арестанта, посоветовал ему отказаться от рокового намерения. «Вы… смерти себе не причините, я вас успею довезти, но вы себе повредите: вас начнут допрашивать, а с вами от истощения сделается бред, и вы наговорите лишнего и на себя, и на других», — уговаривал Костомарова конвоир. Логика надзирателя подействовала на Костомарова. 7 апреля его привезли в Петербург, а 15-го состоялся первый допрос.
