Предки Метнера имели скандинавское происхождение (отец ? датское, мать ? шведско-немецкое), но ко времени его рождения семья уже на протяжении многих лет жила в России. Первые уроки игры на фортепиано он получил в возрасте шести лет от матери, затем учился у своего дяди, Фёдора Гедике (отца Александра Гедике). В 1892 Метнер поступил в Московскую консерваторию, где обучался в классах А. Галли, П. Пабста, В. Сапельникова и В. Сафонова, и в 1900 окончил её с большой золотой медалью. Композицией Метнер занимался самостоятельно, хотя в студенческие годы брал уроки теории у Кашкина и гармонии ? у Аренского.
Вскоре после окончания консерватории Метнер принял участие в конкурсе пианистов имени Рубинштейна, на котором заслужил почётный отзыв от влиятельного жюри, однако, по совету Сергея Танеева и своего старшего брата Эмилия вместо концертной карьеры серьёзно занялся композицией, выступая лишь изредка, и в основном с собственными сочинениями. В 1903 году некоторые из его произведений появились в печати. Соната f-moll привлекла внимание известного польского пианиста Иосифа Гофмана, своё внимание на музыку молодого композитора обратил Сергей Рахманинов (ставший в более поздние годы одним из ближайших друзей Метнера). В 1904?1905 и 1907 годах Метнер выступил с концертами в Германии, но не произвёл на критиков особого впечатления. В то же время в России (и в особенности в Москве) у него появилось немало почитателей и последователей. Признание Метнера как композитора пришло в 1909 году, когда ему была присуждена Глинкинская премия за цикл песен на слова Гёте. Метнер принимал активное участие в деятельности «Дома песни». Вскоре он получил место профессора фортепианного класса Московской консерватории, а в 1916 ? ещё одну Глинкинскую премию за фортепианные сонаты. Н. К. Метнер состоял членом совета Российского музыкального издательства, учреждённого в 1909 г. Сергеем Кусевицким, в котором помимо него состояли также А. Ф. Гедике, С. В. Рахманинов, А. Н. Скрябин (позднее его место занял А. В. Оссовский), Н. Г. Струве .
В 1921 году Метнер вместе с женой эмигрировал в Германию, где, однако, интерес к его музыке был ничтожно мал, а концертных предложений почти не поступало. Финансовую помощь Метнеру оказал Рахманинов, организовавший концертный тур пианиста по США в 1924?1925. Вернувшись в Европу, Метнер осел в Париже, но там, как и в Германии, его сочинения не пользовались большим успехом. Круг друзей Метнера в это время был небольшим и состоял в основном из русских эмигрантов. Среди немногих современных ему музыкантов во Франции, почитавших его творчество, был Марсель Дюпре. В 1927 Метнер выступил с концертами в Советской России, а год спустя ? в Великобритании, где композитор получил звание почётного члена Королевской академии музыки и с успехом исполнил собственный Второй концерт с оркестром Королевского филармонического общества. Радушный приём, оказанный ему, сподвиг его на то, чтобы постоянно поселиться в Лондоне. В 1929?1930 Метнер провёл новую серию концертов в Северной Америке, однако сотрудничавшее с ним концертное агентство обанкротилось, и лишь с помощью Рахманинова ему удалось избежать финансовых трудностей.
Наблюдая за развитием современной ему композиторской техники, Метнер в начале 1930-х годов решил выразить в печати собственную эстетику, среди современников считавшуюся чересчур консервативной. В своей книге «Муза и мода», вышедшей в Париже в 1935 году, композитор изложил свои взгляды на непреложные законы искусства и выразил мнение, что модные модернистские течения в музыке являются не более чем заблуждениями, разрушающими связь между душой музыканта и его творчеством.
В октябре 1935 композитор с женой окончательно обосновался в Лондоне. Успех его концертов, частное преподавание и контракт с немецким издательством обеспечивали ему достойное существование вплоть до начала Второй мировой войны, когда Метнеры вынуждены были переехать в Уорикшир, где их приняла семья пианистки Эдны Айлс. В 1942 у Метнера случился инфаркт, но уже в феврале 1944 он смог исполнить в Королевском Альберт-холле своё новое сочинение ? Третий концерт.
Последние годы жизни Метнера, несмотря на его болезнь, были насыщены событиями. В 1946 индийский махараджа выделил сумму на основание Метнеровского общества, что позволило пианисту в течение ближайших лет сделать записи практически всех своих крупнейших сочинений. Эти записи составляют часть золотого фонда мировой музыкальной культуры и дают наглядное представление о мастерстве музыканта.
Скончался Н.К. Метнер 13 ноября 1951 года, похоронен в Лондоне на кладбище Хендон (Hendon Cemetery).
В 1959?1963 в Москве было издано собрание сочинений композитора в двенадцати томах.
В 2006 пианистом Борисом Березовским был организован Международный фестиваль Николая Метнера («Метнер-фестиваль»). В 2006 и 2007 годах фестиваль прошел сразу в нескольких российских городах — Екатеринбурге, Владимире и Москве.
Один из последних композиторов-романтиков, Метнер занимает важнейшее место в истории русской музыки, наряду с Александром Скрябиным, Сергеем Рахманиновым и Сергеем Прокофьевым, в чьей тени он оставался всё время своей карьеры. Фортепиано занимает доминирующее место в творчестве Метнера ? у него нет ни одного сочинения, в котором не был бы задействован этот инструмент. Великолепный пианист, Метнер тонко чувствует выразительные возможности фортепиано, его произведения предъявляют к исполнителю высокие технические требования. Стиль музыки Метнера отличается от большинства его современников, в нём русский дух гармонично сочетается с классическими западными традициями ? идеальным структурным единством, мастерством полифонического письма, сонатной формой. Язык композитора практически не претерпел изменений в течение времени.
Русская и немецкая стороны музыкальной личности Метнера ярко проявляются в его отношении к мелодической составляющей, которая варьируется от русских мотивов («Русская сказка») до тончайшего лиризма (Второй концерт). Гармония Метнера насыщенна и богата, но практически не выходит за рамки, сформировавшиеся в XIX веке. Ритмическая составляющая, с другой стороны, иногда весьма усложняется ? Метнер использует различные виды полиритмии.
В наследии Метнера особое место занимают четырнадцать фортепианных сонат. Это разнообразные по масштабу сочинения, от небольших одночастных сонат из Триады до эпической e-moll’ной сонаты, соч. 25 № 2, которая в полной мере раскрывает мастерство композитора во владении крупномасштабной структурой и глубиной тематического проникновения. Среди других сочинений Метнера для фортепиано соло выделяются тридцать восемь разнообразных по характеру, изящных и мастерски написанных миниатюр, озаглавленных автором как «Сказки». Три фортепианных концерта ? единственные произведения, в которых Метнер использует оркестр. Композитор считал инструментовку сложным и скучным делом, его оркестр звучит бесцветно и несколько тяжеловесно. Камерные сочинения Метнера включают в себя три сонаты для скрипки с фортепиано, несколько небольших пьес для того же состава и фортепианный квинтет. Наконец, ещё одна область творчества Метнера ? вокальные сочинения. Более сотни песен и романсов написаны на стихи русских и немецких поэтов, в основном, Пушкина и Гёте. Фортепиано в них играет не менее важную роль, чем голос.