Из потомственных дворян. Закончил 1-й Московский кадетский корпус, Санкт-Петербургский горный институт (1889). Как вольный слушатель — физико-математический и юридический факультеты Санкт-Петербургского университета. Ученик Д. И. Менделеева.
В звании горного инженера работал на Путиловском заводе (Санкт-Петербург, 1889—91), строительстве Рязанско-Казанской железной дороги (1891—93). В 1890-е гг. основал механическую мастерскую (Харьков), участвовал в строительстве Балашовско-Харьковской железной дороги. К 1914 г. предприятие Н. Ф. фон-Дитмара включало два машиностроительных завода (Харьков), специализировавшихся на производстве оборудования для горнодобывающей и металлургической промышленности. Н. Ф. фон Дитмар входил в правление Новосильцевского каменноугольного товарищества, Донецко-Грушевского товарищества каменноугольных и антрацитовых копей, занимал пост главы совета Петроградского торгового банка.
Занимал административные и выборные должности в аппарате Совета съездов горнопромышленников юга России (руководитель Статистического бюро, секретарь совета, член Харьковского порайонного комитета по вывозу горнозаводских грузов, управляющий делами). С 1906 г. — председатель Совета.
С 1902 г. постоянно избирался гласным Харьковской городской думы, будучи деятельным членом её комиссий. 25 октября 1912 г. избран членом Государственного Совета от промышленников.
В 1912—16 гг. занимал должности Товарища председателя Совета съездов представителей промышленности и торговли, члена Совета по железнодорожным делам Министерства путей сообщения, председателя Харьковского отделения Российско-итальянской торговой палаты, Харьковского отделения Императорского Русского технического общества и его Счетоводческого отдела, члена попечительных советов ряда учебных заведений. Входил в состав Особого совещания по обороне государства (1915), Экономического совета при Временном правительстве (1917), руководящих органов Центрального военно-промышленного комитета, Всероссийского союза земств и Всероссийского союза городов.
В 1917 г. возглавлял борьбу горнопромышленников Донбасса против направляемого левыми партиями радикального рабочего движения. В частности, представлял интересы горно-металлургических предприятий на Харьковской конференции представителей рабочих и предпринимателей 27 апреля - 2 мая 1917 г. По итогам которой представителями горно-металлургических компаний была представлена Временному правительству известная Декларация, описывающая положение промышленности Донецкого бассейна и оценку экономической ситуации в случае продолжения рабочих выступлений. Провал Харьковской конференции стал этапом т.н. Донецкого конфликта - противостояния объединённых в общественные организации-союзы предпринимателей и радикального рабочего движения весной - осенью 1917 г.
В 1918 году был председателем на Съезде промышленников, банкиров и землевладельцев (Киев), был избран товарищем главы Протофиса кн. Голицина. После падения Украинской Державы выступил одним из лидеров Белого движения, организатором Добровольческой армии, принимал участие в Ясском совещании в ноябре 1918 года.
Умер 18 июля 1919 года от тифа по дороге из г. Ростова-на-Дону в г. Харьков. Похоронен в Харькове. Кладбище по Пушкинской улице было срыто по решению городских властей в 1970-е гг., точное место захоронения на сей день не установлено.
Награждён рядом наград Российской империи и иностранных держав, в том числе званием Командора ордена Короны Италии (1911).
Стипендии им. Н. Ф. фон Дитмара были основаны в Петроградском и Екатеринославском горных институтах.
Выступил последовательным сторонником установления цивилизованных отношений между предпринимателями и рабочими. Инициировал создание горноспасательных станций на Донбассе, школы горных десятников; Медико-механического института и клиники для раненных рабочих (1907 — ныне Научно-исследовательский институт ортопедии и травматологии им. проф. М. И. Ситенко, Харьков), сейсмической и метеорологической станций, химической лаборатории. Координировал работы ССГПЮР в вопросах развития социального страхования, возглавлял Общество помощи горнякам юга России. Создал и возглавил Южно-Российское общество надзора за паровыми котлами (1910).
Выступил с идеей «нового великого дела — выхода промышленности и торговли на арену активной политической жизни» (1912), улучшения образа предпринимателя в российской культуре и общественном мнении. Был сторонником децентрализации государственной власти и создания ответственного перед Думой Кабинета министров, в то же время, был активным противником конфронтации с существующей властью.
Поддерживал курс активной экономической политики с целью развития «продуктивных сил страны». Как председатель ССГПЮР координировал действия промышленных концернов юга России на внутреннем и внешнем рынках, организовал прорыв горнометаллургической отрасли на рынки Южной Европы и Ближнего Востока.
Инициировал ряд программ по изучению производственных мощностей, рынков сбыта, транспортной инфраструктуры, финансового состояния предприятий. В 1912—13 гг. выступил с оправдавшимся мнением об ограничивающей рост горнометаллургического производства роли пропускной способности железнодорожной сети Донецкого бассейна. Координировал разработку программ железнодорожного строительства в регионе, оформлявшихся в виде докладных записок ССГПЮР министрам торговли и промышленности и путей сообщения.
Как учёный-экономист работал в направлении счетоводства и статистики; издал первый в России учебник «Основы счетоводства». Выступил с идеей создания института присяжных счетоводов, обеспечивавших бы независимый контроль за хозяйственной деятельностью и достоверность бухгалтерского учёта.
Участник создания Харьковского коммерческого института и член его Попечительного совета и Учебного комитета.
В годы Первой мировой войны возглавлял работы ИРТО по созданию импортозамещающих производств, принимал участие в разработке военно-промышленных и мобилизационных программ.