Младший сын помощника управляющего Московской оружейной палатой действительного статского советника Дмитрия Ивановича Киселева и статс-дамы Прасковьи Петровны, урождённой княжны Урусовой. От брака они имели четырёх сыновей: Павла, Александра, Сергея и Николая, и трёх дочерей: Александру, Елизавету и Варвару.
Семейство Киселёвых принадлежало к высшему московскому кругу, было в дружеских отношениях с графом Ф.В.Ростопчиным, дом Киселёвых на Тверской посещали И.И.Дмитриев и Н.М.Карамзин.
Николай получил домашнее воспитание при помощи гувернера француза. Его старший брат Павел заботился о его образовании и одно время думал поместить его в Ришельевский лицей, под ближайший свой присмотр; но затем Николай поступил в Дерптский университет и в 1823 году окончил курс со степенью кандидата. Блестящие служебные успехи старшего брата, облегчили Николаю Дмитриевичу карьеру.
В январе 1824 года он поступил на службу в Государственную Коллегию Иностранных Дел, в 1826 году был отправлен в Персию с князем Меншиковым. В 1829 году был назначен секретарем при посольстве в Париже, где состоял до 1837 года; в 1834 году получил звание камергера. В 1837 году Николай Дмитриевич был назначен советником посольства в Лондоне, где исполнял должность поверенного в делах в Великобритании.
В 1840 году был вновь переведен в Париж и в следующем году получил чин действительного статского советника. В 1841 – 1851 годах - временный поверенный, затем - поверенный в делах во Франции. В 1851 году был пожалован в тайные советники. В период дипломатической подготовки Крымской войны поддерживал Николая I в его мнении о благожелательном отношении Франции к России и о невозможности франко-английского союза. Киселев был не в силах привлечь Наполеона на сторону России. Натянутые отношения между Россией и Францией, заставили его покинуть пост.
23 января 1854 года Николай Дмитриевич вручил министру иностранных дел ноту о прекращении дипломатических сношений между Россиею и Франциею и отправился в Германию; 18 декабря он был причислен к Министерству иностранных дел. Неуспех Киселева в Париже вызвал против него неудовольствие, которое, впрочем, продолжалось недолго, и уже 8 июня 1855 года он был вновь отправлен чрезвычайным посланником и полномочным министром к дворам римскому и тосканскому; на этом посту он оставался до 1864 года, когда был назначен представителем России при короле объединенной Италии; последний пост Киселев занимал до самой своей смерти, продолжая пользоваться полным расположением Государя.
Киселёву посвящено стихотворение Пушкина «Н. Д. Киселёву».
Ищи в чужом краю здоровья и свободы,
Но север забывать грешно,
Так слушай: поспешай карлсбадские пить воды,
Чтоб с нами снова пить вино