Родился в Санкт-Петербурге в семье придворного метрдотеля Луи Жюля Бенуа (1772—1822). Закончил известную Немецкую школу св. Петра — Петришуле. В 1827 — 1836 годах учился в Академии Художеств у В. А. Глинки, затем у Х. Ф. Майера. После окончания работал помощником архитектора Константина Андреевича Тона.
В 1840—1846 годах находился за границей вместе с А. И. Кракау и А. И. Резановым. В качестве казенного пенсионера Бенуа посетил Германию, Францию, Швейцарию, Австрию, Англию, долго жил в Италии.
После возвращения в Россию, был принят на службу в Кабинет Его Императорского Величества. В 1848 году получил звание академика. В 1850 году становится главным архитектором Петергофа. В 1852—1862 годах работал в Лисинском учебном лесничестве. За заслуги по возведению лисинских построек архитектор Н. Л. Бенуа получил второй орден — Св. Станислава 2-й степени.. В 1863—1873 годах — главный архитектор императорских театров. С 1872 года становится во главе строительного отделения Городской управы Санкт-Петербурга. В 1880—1893 годах председатель Петербургского Общества архитекторов.
Н. Л. Бенуа умер 11(23) декабря 1898 в Санкт-Петербурге. Был похоронен в крипте сооружённого им католического храма Посещения.
(современный посёлок Лисино-Корпус)
А также им сооружены станции железной дороги в Стрельне, Красном Селе, Троице-Сергиевой пустыни (Сергиево), Летний театр в Павловске (1875), каменная часовня «Крылечко» (1860—1865) в Тихвинском Богородичном Успенском монастыре.