В 1875 году родители определили его в 3-ю Санкт-Петербургскую военную гимназию. После окончания этой гимназии он сдал экзамен на аттестат зрелости при 7-й Петербургской гимназии в 1884 году и осенью этого же года поступил на естественное отделение физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета.
По окончании университета, в 1888 г. Н. И. Кузнецов был направлен в ведение Министерства государственных имуществ.
В 1888—1890 годах вместе с А. В. Фоминым и Н. А. Бушем совершил по поручению Императорского Русского географического общества несколько ботанико-географических экспедиций («экскурсий») по Кавказу. Изучение кавказской флоры и в последующем стало одним из главных дел его жизни — исследованию флоры этого региона он посвятил 30 лет.
В 1891 году, после возвращения из последнего путешествия по Кавказу, Кузнецов был назначен на должность младшего консерватора Императорского ботанического сада.
В 1894 году он читал курс ботаники на женских педагогических курсах Санкт-Петербургского Фрёбелевского общества. Летом 1894 года принимал участие в качестве ботаника в экспедиции по исследованию источников важнейших рек Европейской России, снаряжённой министерством земледелия и государственных имуществ.
В 1895 году за диссертацию «Подрод Eugentiana рода Gentiana» («Труды Санкт-Петербургского общества естествоиспытателей», 1894) Кузнецов получил степень магистра ботаники. Степень доктора ботаники horus causa была присуждена ему Новороссийским университетом в 1911 году.
В октябре 1895 года Н. И. Кузнецов переехал в Юрьев (Дерпт) и был назначен экстраординарным профессором по кафедре ботаники и директором ботанического сада Юрьевского (Тартуского) университета, а с 1901 года работал исполняющим должность ординарного профессора того же университета. Юрьевский период жизни Н. И. Кузнецова был один из самых плодотворных. Здесь он основал ботанический журнал «Труды Ботанического сада Юрьевского университета» (1900—1915), продолжил изучение флоры и растительности Кавказа и сизданием критической флоры Кавказа «Flora caucasica critica».
С 1904 года Николай Иванович Кузнецов — член-корреспондент Петербургской Академии наук.
Н. И. Кузнецов создал ряд оригинальных университетских курсов и опубликовал на их основе учебники, среди которых центральное место занимают «Введение в систематику цветковых растений» (1914, 1936 гг.) и «Основы ботаники» (1914, 1915 и 1915 гг.). Он является одним из пионеров в области охраны природы России — благодаря его деятельности удалось созранить папятники природы на Кавказе.
В 1915—1918 годах он был директором Никитского ботанического сада. Совместно с Е. В. Вульфом создал в саду Ботанический кабинет и Гербарий, организовал закладку питомника лекарственных и ароматических трав, заложил экспозицию местной флоры по предложенной им филогенетической схеме. В Крыму он продолжает издавать журнал «Вестник русской флоры» (1915—1917).
В 1918—1921 годах — профессор Таврического университета. Н. И. Кузнецов был одним из инициатором приглавшения в университет академика В. И. Вернадского, впоследствии ставшего ректором Таврического университета. Им разработан ряд ботанических курсов, опубликовано несколько учебников (в том числе один из первых учебников Тарического университета — «География растений»).
С 1921 года — профессор кафедры географии и экологии растений Ленинградского университета, а с 1922 года — заведующий отделом геоботаники Главного ботанического сада в Ленинграде.
Николай Иванович Кузнецов изучал флору и растительность Кавказа, занимался систематикой и филогенией цветковых растений, разработал полифилетическую систему цветковых растений (1914).
Н. И. Кузнецов опубликовал около 400 книг, статей, критических обзоров и рецензий, он был активным членом ногих научных обществ России и имел различные научные награды (в частности золотую медаль имени П. П. Семёнова-Тян-Шанского).
Скончался Н. И. Кузнецов 22 мая 1932 года в Ленинграде.