Николай Алексеевич Бирилёв служил на Черноморском флоте с 1845 по 1855 год.
Участвовал в Синопском сражении, в России широко известен как герой защиты Севастополя (1854—1855) во время Крымской войны 1853-56 гг..
За Севастополь воевал с 9 сентября 1854 года по 5(6?) мая 1855 года, когда был тяжело ранен картечью в голову. Командир отрядов охотников в многочисленных вылазках с 3-го бастиона, где он командовал аванпостами в чине лейтенанта. Широко известна вылазка Бирилёва во главе отряда в 750 охотников 11 марта 1855 г., когда ему удалось захватить батареи правой параллели, срыть до основания батарею в 10 орудий, наглухо заклепать восемь пушек. За оборону Севастополя награждён орденом Святого Георгия 4-й степени, орденом Святого Владимира 4-й степени с мечами, орденом Святой Анны 2-й степени с мечами и императорской короной.
Указ императора от 2 марта 1855 года о представлении Николая Алексеевича к «Георгию»: «В воздаяние за отличное мужество и храбрость, оказанные в ночных вылазках из Севастополя 20 декабря 1854 года и 20 января 1855 года».
1859—1863 годах Бирилев, командуя корветом «Посадник», совершил кругосветное плавание, посетив Китай и Японию.
1865 — 5 февраля Николай Алексеевич и Тютчева, Мария Фёдоровна (дочь знаменитого поэта Ф. И. Тютчева) обвенчались в русской церкви в Ницце.
1866 — 30 января у них родилась дочь Мария, которая вскоре умерла и Бирилёв впал в тяжёлую душевную болезнь (видимо, сказалось и севастопольское ранение), от которой не смог оправиться до самой смерти. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Санкт-Петербурге, рядом с могилой поэта Ф. И. Тютчева.
Остров Бирилёва (Тэгудо) в Японском море назван в его честь.