Родился в 1876 году в Вологде в семье офицера. Как и отец, он избрал для себя военную профессию. Закончил Николаевское инженерное училище (ныне Военный инженерно-технический университет) в Санкт-Петербурге.
Участник русско-японской и Первой мировой войн. В старой армии был командиром полка, начальником штаба дивизии и корпуса.В 1917 году исполнял должность генерал-квартирмейстера Юго-Западного фронта, полковник.
С первых дней Октябрьской революции Петин перешел на сторону большевиков и с тех пор служил Республике Советов. Когда в августе 1918 года в Архангельске высадились англичане, Реввоенсовет назначил его на пост начальника штаба VI Армии. Под руководством Петина была разработана и проведена Шенкурская операция. Её итогом стало освобождение г. Шенкурска и поражение интервентов, что создало благоприятные предпосылки для освобождения Севера России. В мае 1919 назначен начальником штаба Западного фронта. В 1921 году награждён орденом Красного знамени за "талантливую разработку всех оперативных соображений в должности начальника штаба фронта" С мая 1930 назначен инспектором инженерных войск РККА. Под руководством Петина в пограничных округах на Дальнем востоке шло строительство дорог и военно-морских баз, объектов береговой обороны.
С декабря 1934 года начальник Инженерного управления РККА. Н. Н. Петин расстрелян 7 октября 1937 года. В 1956 году реабилитирован.