В 1859 году Таганцев окончил Пензенскую мужскую гимназию, а в 1862 году — юридический факультет Петербургского университета. Был оставлен на кафедре уголовного права. С 1867 по 1882 годы преподавал в Петербургском университете, училище правоведения и Александровском лицее. В 1867 году защитил магистерскую диссертацию «О повторении преступлений». В 1870 году, после защиты диссертации на тему «О преступлениях против жизни по русскому праву», получил степень доктора уголовного права.
В 1870-х годах участвовал в комиссии о тюремном преобразовании. В 1881 году назначен членом консультации при министерстве юстиции и членом комиссии для составления проекта нового уголовного уложения. В 1882 году Таганцев оставил чтение лекций в Санкт-Петербургском университете и лицее, сохранив кафедру только в училище правоведения. В 1890 году назначен председателем комиссии для составления предварительных предположений о пересмотре проекта Финляндского уголовного законодательства, в 1894 г. — членом комиссии для пересмотра нашего судебного законодательства и вместе с тем председателем отдела по пересмотру устава уголовного судопроизводства.
С 1887 года Таганцев состоял сенатором кассационного департамента Сената, а с 1897 г. — первоприсутствующим в этом департаменте. 1 января 1903 г. Таганцев получил чин действительного тайного советника. 13 мая того же года назначен членом Комиссии по разработке нового Уголовного уложения при Министерстве юстиции .
С 1906 года — член Государственного совета.
Придерживался либеральных взглядов: выступал защитником на политическом «процессе 193-х» в 1877—1878 годах, по которому проходило более 40 пензенских народников, последовательно выступал за отмену смертной казни.
Принимал экзамен у Владимира Ульянова (Ленина) в Петербургском университете. Широко распространена легенда, будто Н.С. Таганцев безуспешно хлопотал за оставление в живых своего сына Владимира, обвинённого в попытке вооружённого свержения власти большевиков (Дело Петроградской боевой организации В. Н. Таганцева); согласно Евгению Сомову (Нева, 2005), письмо Таганцева к Ленину осталось без ответа.. Однако эту легенду опровергает директор Государственного архива РФ Сергей Мироненко: «Есть дневник Таганцева, где он пишет: „Господи, какая чушь! Я никогда не просил Ульянова-Ленина ни о каком помиловании сына, потому что это было бесполезно“».
Был женат дважды: на Зинаиде Александровне Кадьян (1850—1882), а после её смерти на её младшей сестре Евгении Александровне Кадьян. Дети от первого брака: Надежда (1871—1942), Николай (1873—1946). Дети от второго брака: Зинаида (1884—1946), Владимир (1889—1921).