Николай Николаевич Урванцев родился 17 (29) января 1893 года в городе Лукоянове Нижегородской губернии, в небогатой купеческой семье. С детства он много читал — у отца была хорошая библиотека, увлекался геологией и рассказами об исследователях Арктики. В 1907 году отец разорился и стал работать по найму приказчиком. В 1903 году Николай Урванцев поступил в Нижегородское реальное училище, которое окончил в 1911 году.
После окончания училища Николай Урванцев поступил на механическое отделение Томского технологического института. Под влиянием лекций профессора В. А. Обручева и его книг «Плутония» и «Земля Санникова» позже он перевелся на горное отделение.
Окончив по первому разряду институт в 1918 году, когда в стране шла гражданская война, Урванцев поступил на работу в Сибирский геологический комитет и через год был командирован в район нынешнего Норильска на разведку каменного угля для кораблей Антанты, доставляющих оружие и боеприпасы Колчаку.
В 1920 году экспедиция Урванцева на западе полуострова Таймыр в районе реки Норильской обнаружила очень богатое месторождение каменного угля. В 1921 году было открыто богатейшее месторождение медно-никелевых руд с высоким содержанием платины.
В 1921 году на том месте, где расположен город Норильск, был построен бревенчатый дом, который сохранился и поныне. На мемориальной доске, установленной на нём, написано: «Первый дом Норильска, построенный первой геологоразведочной экспедицией Н. Н. Урванцева летом 1921 года». В этом доме Николай Николаевич провёл первую зимовку. Зимой 1921 года он исследовал все окрестности Норильска и составил подробную карту.
Летом 1922 года Н. Н. Урванцев провел лодочный маршрут по неизученной реке Пясине и побережью Ледовитого океана до Гольчихи в устье Енисея. На полпути между островом Диксоном и устьем Пясины Николай Николаевич обнаружил почту Амундсена, посланную им в Норвегию со шхуны «Мод», которая в 1919 году зазимовала у мыса Челюскин. Почту Амундсен отправил со своими спутниками Кнутсеном и Тессемом, которые преодолели 900 километров снежной безлюдной пустыни. Кнутсен в пути умер, а Тессем в одиночку продолжал путь, но и он погиб, не дойдя двух километров до Диксона. Большинство почты было разграблено медведями, но три больших тюка из водонепроницаемой материи сохранились. Письма в них были адресованы брату Амундсена и институту магнетизма Карнеджи (Вашингтон).
За это путешествие Русское географическое общество присудило Урванцеву серебряную[уточнить] медаль имени Пржевальского. За находку почты Амундсена он был награжден норвежским правительством золотыми часами.
В 1930—1932 годах Н. Н. Урванцев руководил научной частью экспедиции Всесоюзного арктического института на Северной Земле, где осуществил вместе с Г. Ушаковым первое географическое и геологическое обследование островов. За экспедицию на Северную Землю Урванцев был награждён орденом Ленина.
В 1933—1934 годах управление Главсевморпуть отправило пароход «Правда» в бухту Нордвик в первую историческую экспедицию по поиску нефти в Северной Сибири. Экспедицию возглавил Н. Н. Урванцев, на пароходе также была его жена Елизавета Иванова, которая выполняла в экспедиции роль медика.
В 1935 году учёный стал доктором геолого-минералогических наук. В 1937 году, он был назначен заместителем директора Арктического института.
В 1938 году Н. Н. Урванцев был репрессирован и осуждён на 15 лет исправительных лагерей по ст.58 п.7 и 11 (за вредительство и соучастие в контрреволюционной организации). В феврале 1940 года приговор был отменен за отсутствием состава преступления, но в августе Н. Н. Урванцев был снова арестован и осуждён на 8 лет. Отбывать срок Урванцеву пришлось в Карлаге и Норильлаге.
В 1944—1948 годах Н. Н. Урванцев принимал участие в поисках урановых руд в районе полуострова Таймыр — сырья для создававшейся в СССР атомной бомбы.
Урванцев был освобождён из лагеря в 1945 году. В послевоенные годы он продолжал исследовательские работы на Крайнем Севере, а после выхода на пенсию (в 1958—1967 годах) работал в Ленинграде в НИИГА. В связи с 70-летием Н. Н. Урванцев был награждён вторым орденом Ленина.
Умер Николай Николаевич Урванцев в 1985 году. Урна с прахом учёного в соответствии с его завещанием захоронена в Норильске.
Урванцев отличался эрудированностью, большой работоспособностью, любовью к чтению и технике, требовательностью к себе. Коллеги также отмечали его тяжёлый характер. Супруга Урванцева — Елизавета Ивановна — отмечала, что после лагеря его характер стал мягче, терпимее.
На доме, где родился Н. Н. Урванцев, установлена мемориальная доска, его именем названа одна из новых улиц города, и на первом её доме установлена памятная доска с именем Н. Н. Урванцева. Именем Урванцева названы улицы в Норильске и в Красноярске.