Отец Н. Н. Померанцева — московский архитектор, принявший сан священника. Николай Николаевич окончил Первую Московскую гимназию — в 1912, и физико-математический факультет Московского университета — в 1918. С 1918 сотрудник «Комиссии по сохранению и раскрытию древних памятников» под началом И. Э. Грабаря, c 1919 по 1934 работал в московском кремле — искусствоведом, хранителем Оружейной палаты, заведующим памятниками Кремля. Одновременно занимался музейной деятельностью, организовывал местные музеи на базе Донского, Новодевичьего монастырей, в Звенигороде, Волоколамске и других древних городах.
Понимая невозможность спасти от сноса Вознесенский монастырь, Померанцев, стоявший во главе комиссии кремлёвских специалистов, организовал архитектурные обмеры и фотографирование монастыря, обследование захоронений и вывоз саркофагов в подземелье Архангельского собора, а иконы из Воскресенского монастыря, датируемые 1679 годом, сохранил в церкви Двенадцати Апостолов и фондах Оружейной палаты.
В январе 1934 арестован по «делу работников центральных реставрационных мастерских», обвинён в попытках дискредитации Советской власти путём противодействия сносу «ненужных памятников старины». В мае 1934 осужден на три года ссылки на Север, отбывал наказание в Вельске. В Вельске Померанцев активно занимается разведением цветов, устройством скверов и аллей, строит первую в городе оранжерею, работает музыкальным руководителем детского сада № 2, открывает кружок хорового пения, собирает и записывает народные песни .
Вернулся в Москву, в те же самые Центральные реставрационные мастерские (позже — Всероссийский художественный научно-реставрационный центр имени И. Э. Грабаря), только в 1946. С 1954 регулярно выезжал в экспедиции на русский Север («Онежские экспедиции»), реставрировал Ферапонтов монастырь, Соловецкий монастырь, Кирилло-Белозерский монастырь и др. памятники. Выступал за создание реставрационных мастерских в провинциальных городах, участник создания ВООПИиК в 1965. В 1966 организовал выпуск первой в СССР грамзаписи русских колокольных звонов. Организовывал выставки, на которых впервые в СССР выставлялись хранимые в запасниках иконы, русская деревянная скульптура.
Дочь Н. Н. Померанцева Раиса Николаевна — известный переводчик английской классической литературы.