Николай Кузнецов родился в крестьянской семье из шести человек. У него были старшие сёстры Агафья и Лидия, младший брат Виктор.
В 1926 году окончил семилетнюю школу, поступил на агрономическое отделение Тюменского сельскохозяйственного техникума. Проучившись год и став за это время комсомольцем, из-за смерти отца от туберкулёза вынужден был вернуться в родную деревню. В 1927 продолжил учёбу в Талицком лесном техникуме, где стал самостоятельно изучать немецкий язык, обнаружив незаурядные лингвистические способности, овладел эсперанто, польским, коми, украинским языками. В 1929, по обвинению в «белогвардейско-кулацком происхождении», исключён из комсомола и из техникума .
Весной 1930 года оказался в Кудымкаре и был принят на работу Коми-Пермяцким окружным земельным управлением на должность помощника таксатора по устройству лесов местного значения. Здесь его восстановили в комсомоле. Позже восстановился и в техникум, но диплом защитить не разрешили — ограничились бумажкой о прослушанных курсах.
Работая таксатором, обнаружил, что коллеги занимаются приписками и донёс на них в милицию. Суд приговорил расхитителей к срокам по 4-8 лет тюремного заключения, а Кузнецова — к году исправительных работ с удержанием 15% зарплаты (а также снова отчислен из комсомола).
После лесоустроительной партии Кузнецов некоторое время работал в Коми-Пермяцком «Многопромсоюзе» (Союз многопромысловых кооперативов) в должности конъюнктуриста и секретаря бюро цен, затем, около полугода, в промартели «Красный молот». Участвовал в коллективизации, участвовал в рейдах по сёлам и деревням, подвергался нападениям со стороны крестьян. По версии Теодора Гладкова, именно его бесстрашное поведение в моменты опасности (а также свободное владение коми-пермяцким языком) и привлекло внимание оперативников органов госбезопасности.. С этого времени Кузнецов также участвует в акциях ОГПУ округа по ликвидации в лесах бандитских групп (оперативные псевдонимы «Кулик» и «Учёный»)
В 1931 году официально сменил имя Никанор на имя Николай. Кроме того, работая в Кудымкаре, Кузнецов познакомился с местной девушкой Еленой Чугаевой (из села Кува, работала медсестрой в хирургическом отделении окружной больницы), на которой через некоторое время официально женился. Вместе они жили непродолжительное время, а при отъезде из Кудымкара развод официально так и не был оформлен .
Летом 1932 года Кузнецов берёт отпуск, приезжает в Свердловск (куда на постоянное жительство перебралась вся его семья) и успешно сдаёт приёмные экзамены на заочное отделение индустриального института. Учась в Уральском индустриальном институте, продолжал совершенствоваться в немецком (одним из преподавателей немецкого у Кузнецова была Ольга Весёлкина).
С 1934 года работает в Свердловске — статистик в тресте «Свердлес». Затем непродолжительное время чертёжником на Верх-Исетском заводе, а с мая 1935 года перешёл на «Уралмашзавод» расцеховщиком конструкторского бюро, где вёл оперативную разработку иностранных специалистов (на тот момент имел псевдоним «Колонист»). В феврале 1936 уволен с завода «как прогульщик».
В 1938 арестован Свердловским НКВД, провёл несколько месяцев в тюрьме.
Весной 1938 года находился на территории Коми АССР, был в аппарате наркома НКВД Коми АССР Михаила Ивановича Журавлёва, помогал как специалист по лесному делу. Журавлёв чуть позже позвонил в Москву начальнику отделения контрразведывательного управления ГУГБ НКВД СССР Леониду Райхману и предложил ему взять Кузнецова в центральный аппарат НКВД как особо одарённого агента (Кузнецов освоил шесть диалектов немецкого).
Анкетные данные Кузнецова (судимость, исключение из комсомола) не располагали к приёму его в центральный аппарат. Однако сложная политическая обстановка в мире и необходимость получения оперативной информации об этой обстановке заставили начальника секретно-политического отдела Павла Васильевича Федотова взять на себя ответственность и принять Кузнецова на работу. Кузнецов получил особый статус в органах госбезопасности: особо засекреченный спецагент с окладом содержания по ставке кадрового оперуполномоченного центрального аппарата.
Кузнецову выдают паспорт советского образца на имя немца Рудольфа Вильгельмовича Шмидта. С 1938 года выполнял спецзадание по внедрению в дипломатическую среду Москвы — активно знакомился с иностранными дипломатами, посещал светские мероприятия, выходил на друзей и любовниц дипломатов. С самими дипломатами заключал сделки по покупке разных ценных товаров. Так, в частности, был завербован советник дипломатической миссии Словакии в СССР Гейза-Ладислав Крно.
Для работы с немецкой агентурой для Кузнецова была «слегендирована» профессия инженера-испытателя московского авиационного завода № 22. При его участии в квартире военно-морского атташе Германии в СССР фрегаттен-капитана Норберта Вильгельма Баумбаха был вскрыт сейф и пересняты секретные документы . Также Кузнецов принимал непосредственное участие в перехватах дипломатической почты, когда дипкурьеры останавливались в гостиницах (в частности, в «Метрополе»), вошёл в окружение военного атташе Германии в СССР Эрнста Кёстринга, что позволило спецслужбам наладить прослушивание квартиры дипломата.
После начала Великой Отечественной войны, 5 июля 1941 года, для организации разведывательно-диверсионной работы за линией фронта в тылу немецкой армии была сформирована «Особая группа при наркоме внутренних дел СССР», которую возглавил старший майор Павел Анатольевич Судоплатов. В январе 1942 данная группа преобразована в 4-е управление НКВД, а в неё зачислен Николай Кузнецов.
Разведчику «слегендировали» биографию немецкого офицера, обер-лейтенанта Пауля Вильгельма Зиберта. Поначалу его определили в Люфтваффе, но позже «перевели» в пехоту. Зимой 1942 переведён в лагерь для немецких военнопленных в Красногорске, где осваивал порядки, быт и нравы армии Германии. Затем под фамилией Петров тренируется в прыжках с парашютом. По итогам всех испытаний решено было использовать Кузнецова в тылу врага по линии «Т» (террор).
Летом 1942 года под именем Николая Грачёва направлен в отряд специального назначения «Победители» под командованием полковника Дмитрия Медведева, который обосновался вблизи оккупированного города Ровно. В этом городе располагался Рейхскомиссариат Украина.
С октября 1942 Кузнецов под именем немецкого офицера Пауля Зиберта с документами сотрудника тайной немецкой полиции вёл разведывательную деятельность в Ровно, постоянно общался с офицерами вермахта, спецслужб, высшими чиновниками оккупационных властей, передавая сведения в партизанский отряд.
С весны 1943 несколько раз пытался осуществить своё главное задание — физическое уничтожение рейхскомиссара Украины Эриха Коха. Первые две попытки — 20 апреля 1943 во время военного парада в честь дня рождения Гитлера и летом 1943 во время личной аудиенции у Коха по случаю возможной женитьбы на девушке-фольксдойче — вообще не получились — в первом случае Кох не пришёл на парад, а во втором было слишком много свидетелей и охраны. Не удалась попытка покушения и 5 июня 1943 на имперского министра по делам оккупированных территорий Альфреда Розенберга — приблизиться к нему было невозможно.
С осени 1943 были организованы несколько покушений на постоянного заместителя Э. Коха и руководителя управления администрации Рейхскомиссариата Пауля Даргеля:
После этого было принято решение организовать похищение (с последующей переброской в Москву) прибывшего летом в Ровно командира соединения остенгруппен генерала Макса Ильгена. В задачу последнего входила разработка плана по ликвидации партизанских соединений. Похищение было организовано в ноябре 1943, но в Москву вывезти его не удалось — партизанский отряд отошёл от города на недосягаемое расстояние; Ильген был расстрелян на одном из хуторов близ Ровно.
16 ноября 1943 Кузнецов провёл свою последнюю ликвидацию в Ровно — был убит глава юридического отдела Рейхскомиссариата Украина оберфюрер Альфред Функ.
В январе 1944 командир отряда «Победители» Медведев приказывает Кузнецову отправляться вслед за отступающими немецкими войсками с первой остановкой во Львове. Вместе с Кузнецовым выехали разведчики Иван Белов и Ян Каминский, у которого во Львове были многочисленная родня и немало знакомых. Во Львове Кузнецов совершает ряд терактов — в частности, были ликвидированы шеф правительства дистрикта Галиция Отто Бауэр и начальник канцелярии правительства генерал-губернаторства доктор Генрих Шнайдер.
Кроме того, за время работы на Украине Кузнецову удалось получить некоторые сведения о подготовке немецкого наступления на Курской дуге.
Весной 1944 года ориентировки с описанием обер-лейтенанта имели многие немецкие патрули в городах Западной Украины. Кузнецов решает уйти из города, пробиться в партизанский отряд или выйти за линию фронта.
9 марта 1944 года, по приближении к линии фронта, группа Кузнецова натолкнулась на бойцов УПА, переодетых в форму бойцов РККА. Это произошло в селе Боратин Бродовского района. В ходе перестрелки Николай Кузнецов и его спутники Ян Каминский и Иван Белов были убиты. Версия самоподрыва Кузнецова гранатой позже была официально распространена советской пропагандой.
Возможное захоронение группы Кузнецова было обнаружено 17 сентября 1959 года в урочище Кутыки благодаря поисковой работе его боевого товарища Николая Струтинского. Струтинский добился перезахоронения предполагаемых останков Кузнецова во Львове на Холме Славы 27 июля 1960 года.
Судебно-медицинская идентификация и реконструкция облика Кузнецова по черепу выполнялись сотрудниками Герасимова (Сурнина, Успенский, Институт этнографии АН СССР).
В 1990—1991 во львовских СМИ проявился ряд протестов участников украинского военного подполья против увековечивания памяти Кузнецова ввиду того, что на террористические акты Кузнецова в Ровно оккупационная немецкая власть отвечала массовыми репрессиями против местных жителей. За убийство Бауэра было казнено 2000 жителей Ровно, за смерть Геля расстреляли всех узников ровенской тюрьмы.
Памятники Кузнецову во Львове и Ровно были демонтированы в 1992 году. В ноябре 1992, при содействии Струтинского, львовский памятник был вывезен в Талицу.
Вандалы неоднократно пытались осквернить могилу Николая Кузнецова. К 2007 году активисты инициативной группы в Екатеринбурге провели всю подготовительную работу, необходимую для перемещения останков Кузнецова на Урал.