Известен своими учёными трудами и посольством в Китай. Владел, помимо румынского, девятью языками: латынью, греческим и древнегреческим, турецким, русским, итальянским, китайским, французским и шведским.
Родился около 1636 года в боярской семье. Отец его был греком родом из южной Мореи (Лаконии). Прозвище «Спафария», или «Спатара» (оруженосца) было фамильным именем, перешедшим к Николаю от отца. В Молдавии же он чаще назывался по имени своего поместья Милешти — Николаем Милеску - и, достигнув при господарях-фанариотах привилегированного положения, состоял здесь в числе бояр.
О других членах семьи Николая известно, что он имел брата — Андрея Апостола, также принадлежавшего к боярскому сословию и умершего в Яссах в 1678 году, когда Николай Гаврилович жил уже в России. Племянники его, сыновья Андрея, Иван и Степан Спафарьевы, следуя примеру дяди, выехали служить в Россию в 1686 году).
Учился в Константинополе (Стамбуле) и Падуе (Италия). В 1653—1671 гг. находился на государственной службе у молдавских и валашских господарей, выполнял дипломатические поручения в Константинополе, Стокгольме, Париже. Являлся сторонником политического сближения Молдавии с Россией.
В 1659 — спатар (спэтар) в Молдавии, затем в Валахии.
В 1660—1664 — «капукехейя» (дипломатический представитель) Валашского господаря при Османской Порте.
После 1664 года совершает поездку в Берлин и Штеттин, где находился в изгнании бывший молдавский господарь Георгий Стефан, попавший в немилость к Порте. В качестве его дипломатического агента в 1666 году направляется в Стокгольм, где встречается с послом Франции, а в 1667 году — в Париж ко двору Людовика XIV. Во Франции публикует на латинском языке работу о православии «Енкиридион». В Стокгольме обсуждал также научные проблемы с французским послом.
Возвратившись в Молдавию, принимает участие в заговоре против господаря Ильяша Александру. После провала заговора ему в наказание сделали отметку огнём на носу, в связи с чем он получил прозвище «С?rnul» (курносый). Перебрался сначала в Валахию к господарю Григоре Гика, назначившему его резидентом в Константинополе, а отсюда уехал к Фридриху Вильгельму в Бранденбург, где немецкий врач частично исправил ему нос.
В 1671 году был направлен иерусалимским патриархом Досифеем в Москву и остался в России по приглашению Артамона Матвеева (1625—1666), высокопоставленного лица при царе Алексее Михайловиче, ведавшего иностранными делами. Служил переводчиком Посольского приказа. Автор ряда работ исторического и богословского характера, а также текста «Царского титулярника». Автор первой российской арифметики «Арифмологион», которую написал как учебное пособие для детей придворных и детей Артамона Матвеева. Рукопись была окончена в 1672 году в Чудовом монастыре. В 1963 году профессор Ю. А. Митропольский отправил из Киева в институт математики АН Румынии копии рукописей Милеску, в том числе «Арифмологион».
В 1672—1673 годы Николай Спафарий пишет сочинение «Книга о сивиллах», в которой описывает всех известных античных пророчиц сивилл и кратко описывает их предсказания, толкуя многие из них как указания на рождение Иисуса Христа.
В 1675—1678 годы возглавлял русское посольство в Пекине. В ходе посольства проделал огромный путь по Сибири, Забайкалью и Китаю. В отличие от предыдущих посланников, Спафарий всерьёз занялся изучением Китая и китайского языка, что позволило ему собрать много ценных сведений.
В своём дорожном дневнике Николай Спафарий дал подробное и в общем верное описание среднего течения Оби (истоком которой он определил Телецкое озеро, питающееся водами Бии и Катуни), её притоков — Иртыша и Кети, а также Ангары.
Спафарию принадлежит первое в географической литературе подробное описание Байкала. Он перечислил все впадающие в него реки, в том числе Селенгу, Баргузин, Верхнюю Ангару, описал остров Ольхон. Он верно оценил глубину озера, отметив, что оно сравнимо с высотой гор.
Обобщив сведения землепроходцев, Спафарий дал первую (но очень далёкую от истины) орографическую схему Восточной Сибири, указав на существование «великого хребта» в Лено-Амурском междуречье от Байкала до Охотского моря. Это неверное представление о едином 1500-километровом Становом хребте просуществовало вплоть до середины XX века.
В других своих трудах, основанных на докладах землепроходцев и расспросах, он дал первое описание Амура, считая его крупнейшей рекой не только Сибири, но и всего мира, верно указал, что Амур образуется слиянием Аргуни и Шилки, составляющие которой — Онон и Ингода. Отметил ряд притоков Амура, в том числе главный — Сунгари.
Спафарий сообщил расспросные сведения о Сахалине (ошибочно преувеличив его длину и ширину, так как «присоединил» к нему остров Хоккайдо).
Пересекая Сибирь, Спафарий выполнял первые определения географической широты ряда пунктов с помощью астролябии. Его материалами впоследствии воспользовались иезуиты, проявлявшие интерес к Китаю. В Китае его миссия встретилась с миссией немецкого астронома Фердинанда Вербста (Ferdinand Verbiest), преподававшего императору Айсиньгиоро Сюанье астрономию и математику. Впоследствии они обсуждали с Вербстом научные проблемы.
О своём путешествии в Китай представил в Посольский приказ три описания на русском языке — «Путешествие через Сибирь до границ Китая», «Путевые заметки», «Описание Китая».
По возвращении в Москву Спафарий участвовал в переговорах России с Молдавией и Валахией, в 1674 году выступал посредником в переговорах Молдавии с русским правительством об освобождении княжества от турецкой зависимости, а в 1695 году участвовал в Азовском походе Петра I.
Участвовал также в подготовке посольства Головина в Китай. Умер в 1708 году в Москве.
Внуком Спафария являлся спатар Юрий Милеску, эмигрировавший в Россию вместе с Дмитрием Кантемиром в 1711 году после неудачного похода Петра в Дунайские княжества. Уже его сын сменил фамилию на Мечников. Фамилия «Мечников» - калька с румынского Спэтару, или «spad? are», что означает «имеющий меч», «мечник».
Его потомки — Нобелевский лауреат Илья Мечников и его брат Лев.
В честь Николая Гавриловича в Молдавии были выпущены почтовые марки и блоки:
Молдавская марка, посвящённая Спафарию
Молдавская марка (блок) с картой следования посольства Спафария
Молдавская марка (блок) с картой следования посольства Спафария
Труды Милеску-Спафария переиздавались в Молдавии и Румынии: