Петербуржец, в 1868—1873 обучался в Строительном училище (с 1882 — Институт гражданских инженеров). По окончании училища работал на государственной службе, преподавал в ИГИ. В 1878—1879, не достигнув тридцати лет, опубликовал «Курс истории архитектуры», в 1895 году занял должность директора ИГИ. С ранней молодости, был сторонником и вскоре идеологом византийского пути в развитии архитектуры. Под его руководством ИГИ стал фактическим центром проектирования в византийском стиле.
Как практический архитектор, Султанов выдвинулся благодаря случайному знакомству с графом С. Д. Шереметевым. В 1878—1891 Султанов — домашний архитектор Шереметевых, затем Юсуповых; работал он и по заказам Д. С. Сипягина, И. И. Воронцова-Дашкова и др. высшей знати. В Москве, отреставрировал исторические палаты Волковых-Юсуповых в Большом Харитоньевском переулке, пристроив к 1895 хозяйственные корпуса, конюшни и устроив ограду по образцу ярославской церкви Николы Мокрого. Реставрировал имения и храмы по всей России, собрал массу материалов по истории российской, византийской и западноевропейской архитектуры, издал важнейшие для своего времени монографии по истории архитектуры. С 1893 — действительный член Императорской академии художеств, активный участник российских и европейских научных обществ.
Общественная и научная деятельность Султанова, совпавшая с идеологией дома Романовых, сделала его имя хорошо известным при дворе. В 1892 Александр III лично пригласил Султанова, вместе с тремя другими архитекторами, к участию в «конкурсе» проектов будущего Петропавловского собора в Петергофе. В марте 1893 император выбрал из четырёх проектов именно султановский; постройкой собора, начатой в 1895, руководил его ученик Василий Косяков (1862—1921), вскоре — главный архитектор Морского собора в Кронштадте. Как следует из переписки двух архитекторов, именно Султанов побудил Косякова взять за основу Морского собора константинопольский Софийский собор.
Был женат на писательнице Е. П. Султановой-Летковой, пережившей мужа почти на тридцать лет. Могила Н.В.Султанова находится в Висбадене (Германия) на погосте русской церкви.
Наряду с перестройкой больших зданий и ансамблей, Н. В. Султанов работал и над небольшими сооружениями, но они не менее интересны по своим художественным качествам. В Донском монастыре им была построена изящная часовня (не сохранилась). "4 июня 1888 был приглашен А. А. Козловой устроить часовню над могилами ее родных в Донском монастыре в Москве — часовня из чугуна вся покрыта орнаментом, в стиле ярославских «царских мест» и напрестольных «сеней». Проект был утвержден настоятелем монастыря. Часовня — лучшее произведение зодчего в этом жанре — стояла на затесненном участке некрополя Донского монастыря над семью надгробиями семейства Козловых и Хрущевых.