Николай Николаевич Матусевич родился в городе Николаев в семье военного моряка Н. А. Матусевича. В конце XIX и в начале XX веков участвовал в плаваниях в Чёрном море и Тихом океане. В 1904 году закончил гидрографическое отделение Морской академии. Участвовал в русско-японской войне старшим штурманом на крейсере 2 ранга «Терек». В 1906 году награжден светло-бронзовой медалью «В память Русско-Японской Войны в 1904-1905 гг.». В 1907 году награжден темно-бронзовой медалью «В память плавания в 1904-1905 годах II Тихоокеанской эскадры вокруг Африки на Дальний Восток».
После окончания войны поступил в Петербургский университет, после окончания, которого в 1909 году был вновь зачислен на флот и прикомандирован к Пулковской обсерватории для совершенствования в геодезии и астрономии. В 1908 году в чине капитана корпуса гидрографов флота назначен преподавателем астрономии Временного Штурманского офицерского класса при Главном Гидрографическом Управлении.
В 1911 году Н. Н. Матусевич был назначен начальником отдельной съёмки, впоследствии экспедиции Белого моря. С тех пор в течение 20 лет он руководил работами по изучению Белого и Карского морей и Мурманского побережья. Изучал течения в горле Белого моря. В 1923 году им была организована полярная метеостанция на архипелаге Новая Земля в проливе Маточкин Шар, на базе которой в 1924 году была устроена полярная геофизическая обсерватория. В 1931 году Н. Н. Матусевич становится профессором Военно-морской академии в Ленинграде. В 1944 году присвоено звание заслуженного деятеля науки и техники РСФСР. В 1947 году избран вице-президентом Географического общества СССР.