После окончания Санкт-Петербургской второй гимназии и университета слушал философские курсы за границей и работал в психологическом институте Вильгельма Вундта. Интересные результаты этой работы, касающиеся внимания, были опубликованы сначала в «Philosophische Studien» Вундта (т. IV), а затем, в переработанном виде, в книге: «Психологические исследования. Закон перцепции. Теория волевого внимания» (Одесса, 1893).
Выступив в качестве приват-доцента по философии в Санкт-Петербургском университете, Ланге вскоре был назначен в Одессу, на кафедру философии, которую занимал продолжительное время. С 1888 приват-доцент, затем профессор Новороссийского университета (Одесса), где в 1896 организовал одну из первых в стране экспериментальных психологических лабораторий.
Занимался проблемами восприятия, внимания, памяти, мышления на основе понимания двигательных реакций как первичных по отношению к собственно психическим процессам. Сформулировал закон перцепции, согласно которому восприятие имеет стадиальный характер от обобщенного к дифференцированному образу. Автор моторной теории внимания, в соответствии с которой, колебания внимания при так называемых двойственных изображениях определяются движениями глаз, обегающих изображенный контур.
Учеником Н. Н. Ланге был один из видных украинских психологов Д. Г. Элькин.
Ланге в 1896 г. основал психологическую лабораторию в Новороссийском университете (Одесса).