Родился в семье Николая Николаевича Дурново, крайне правого публициста (псевдоним Orthodox), растратившего состояние на издание своих брошюр.
В 1895 году с серебряной медалью окончил 6-ю Московскую гимназию и поступил на историко-филологический факультет Московского университета. Во время учебы получил золотую медаль за сочинение на тему «Повесть об Акире Премудром» (Ахиакар).
Окончил Московский университет в 1899 году с дипломом 1-ой степени и был оставлен на кафедре русского языка и литературы на два года; ученик Ф. Ф. Фортунатова и А. А. Шахматова.
В 1904 г. сдал экзамен на магистра и по прочтении пробных лекций был принят в число приват-доцентов Московского университета. В 1910 г. был переведен в Харьковский университет, где преподавал на кафедре русского языка и словесности. В мае 1915 возвратился в Московский университет.
После революции — профессор Саратовского университета (1918—1921). Спасаясь от голода, вернулся в Москву, где три года жил на случайные гонорары. Смог издать за это время три основных своих труда — «Очерк истории русского языка», «Повторительный курс грамматики русского языка» и «Грамматический словарь». В 1924 поехал в Чехословакию в 4-месячную командировку и остался там невозвращенцем. Занимался исследованиями в тесном контакте с членами Пражского лингвистического кружка, особенно Р.О. Якобсоном и Н.С. Трубецким, от которых воспринял идеи структурализма. Зимой 1924-1925 г. на средства Чешской академии Дурново ездил в принадлежавшее Чехословакии Закарпатье для изучения украинских диалектов. Весной 1926 г. как гостевой профессор прочел курс в Университете Брно.
В Чехословакии Дурново не удалось получить постоянное место работы, в то же время группа деятелей белорусской науки и культуры предложила ему место профессора в Белорусском университете. В конце 1927 г. Дурново вернулся в СССР и с 1928 по 1930 работал в Минске. Был избран академиком БАН.
Однако вскоре пригласивших его деятелей объявили «буржуазными националистами», и Дурново уволили из университета и исключили из АН Белоруссии. Он уехал в январе 1930 года в Москву, где не смог получить постоянной работы и был арестован в декабре 1933 года по так называемому «делу славистов», приговорён к 10 годам лагерей как «контрреволюционер»(был отправлен в Соловецкий лагерь особого назначения); в 1937 г. был вторично осуждён и расстрелян. В следующем году были расстреляны также оба его сына — Андрей и Евгений. Многие поздние работы Дурново утеряны. Н. Н. Дурново — один из наиболее крупных российских лингвистов, подвергшихся репрессиям; его арест и казнь сравнимы по масштабу с делом Н. И. Вавилова.
В начале своего научного пути Дурново занимался преимущественно русской диалектологией, один из организаторов и активных участников Московской диалектологической комиссии. Предложенная Дурново классификация восточнославянских диалектов использовалась до 1960-х гг.; совместно с Д. Н. Ушаковым и Н. Н. Соколовым составил первую карту русских диалектов (1915). Впоследствии обратился к исторической грамматике русского языка; опубликовал несколько монографий на эту тему.
В области истории русского литературного языка Дурново высказал ряд новаторских идей, касающихся соотношения орфографической системы древнейших письменных памятников с фонетикой древнерусского языка: согласно Дурново, фонетические особенности живого языка отражаются в письменных текстах не напрямую, а как отклонения от орфографической нормы, которая может в разных памятниках быть различной. Данная концепция в настоящее время развивается, в частности, В. М. Живовым, который подготовил новое издание работ Дурново по истории русского языка (2000).
Дурново один из первых лингвистов нового поколения начинает профессионально заниматься синхронной морфологией русского языка. Ему принадлежит опыт первого в России (и одного из первых в мире) словаря лингвистической терминологии («Грамматический словарь»). Ряд описательных решений Дурново (по вопросам о составе русских падежей, о трактовке категорий рода и числа в русском языке, слов pluralia tantum и др.) оказались очень проницательными и в дальнейшем были использованы в современных моделях русской морфологии (прежде всего, в работах А. А. Зализняка).