В 1910—1915 годах — учился в торговой школе имени Александра III.
В 1915 году учился в Школе драматического искусства (с 1916 года — Вторая студия МХТ).
В 1916—1924 годах — актёр Второй студии МХТ.
В ноябре 1921 года женился на коллеге, актрисе Второй студии МХТ Ольге Андровской.
В 1919—1923 годах во время гастрольных поездок и выездных спекталей Второй студии МХТ играл роли: Гиггис и Стрэттон — «Потоп» Г. Бергера, Гильом — «Адвокат Патлен».
В 1923 году заболел туберкулёзом, ставшим для Баталова роковым. Из-за болезни он в течение полугода не работал в театре. Однако уже в 1924 году снялся в своём первом кинофильме — «Аэлита» — в роли красноармейца Гусева.
Больше всего Баталов, начиная сниматься в фильме, боялся «штампа», боялся раз и навсегда остаться побеждённым зафиксированной маской чувства. Однако этого не произошло. Он первым из театральных актёров не настроил против себя киноработников. Сумел примирить священную тишину театра и шум и треск съёмочной площадки. Это — одна из его заслуг в истории нашего кино. А о первой его роли газеты тогда писали так:
Ролью же, принесшей Николаю Баталову мировую известность, стал Павел Власов в фильме Вс. Пудовкина «Мать» (1926)
В апреле 1927 года впервые выходит на сцену в одном из своих самых ярких образов — Фигаро в пьесе Бомарше «Безумный день, или женитьба Фигаро» (режиссёры К. С. Станиславский, Е. С. Телешева, Б. И. Вершилов)
В 1931 года снимается в первом звуковом советском фильме «Путёвка в жизнь», где играет свою самую знаменитую роль — начальника коммуны Николая Ивановича Сергеева.
С 1933 года преподавал актёрское мастерство в ГИКе и ЦЕТЕТИСе.
Однако болезнь давала о себе знать, и 18 февраля 1935 года состоялось последнее выступление Баталова на сцене — в образе никогда не унывающего Фигаро.
Осенью 1935 года Николай Баталов уехал на лечение в Закопане (Польша), лечился в санаториях на Северном Кавказе, в Италии.
3 мая 1937 года Н. П. Баталов был награждён орденом Трудового Красного Знамени.