Верховный Главнокомандующий всеми сухопутными и морскими силами Российской Империи в Первую мировую войну (1914—1915); с 23 августа 1915 года до марта 1917 года Наместник на Кавказе и главнокомандующий Кавказским фронтом.
Его супруга с 29 апреля (12 мая) 1907 года — Анастасия (Стана) Черногорская, в первом браке княгиня Романовская герцогиня Лейхтенбергская.
Ряд его современников, бывших причастными к процессу принятия политических решений в царстование Николая II, весьма негативно оценивали его роль как политической фигуры (с правых позиций); так, великий князь Александр Михайлович в своих мемуарах писал:
Из всех членов Императорской Семьи Великий Князь Николай Николаевич, старший сын моего дяди Великого Князя Николая Николаевича старшего, имел самое большое влияние на наши государственные дела. Два важнейшие акта в истории России — манифест 17 октября 1905 года и отречение Императора Николая II 2 марта 1917 года — следует приписать полнейшей аберрации политического предвидения Великого Князя Николая Николаевича. <…> Я далёк от мысли умалять его редкую честность и добрые намерения. Людьми типа, Великого Князя Николая Николаевича можно было бы пользоваться с большим успехом в любом, хорошо организованном государстве, при условии, чтобы Монарх сознавал бы ограниченность ума этого рода людей. Мой двоюродный брат Великий Князь Николай Николаевич был превосходным строевым офицером. Не было равного ему в искусстве поддерживать строевую дисциплину, обучать солдат и готовить военные смотры. Тот, кому случалось присутствовать на парадах Петербургского гарнизона, имел возможность видеть безукоризненное исполнение воинских уставов в совершенстве вымуштрованной массой войск: каждая рота одета строго по форме, каждая пуговица на своем месте, каждое движение радовало сердце убежденных фронтовиков. Если бы Великий Князь Николай Николаевич оставался бы на посту Командующего войсками гвардии и Петроградского Военного Округа до февраля 1917 года, он всецело оправдал бы все ожидания и сумел бы предупредить февральский солдатский бунт. Оглядываясь на двадцатитрёхлетнее правление Императора Николая II, я не вижу логического объяснения тому, почему Государь считался с мнением Николая Николаевича в делах государственного управления. Как все военные, привыкшие иметь дело со строго определенными заданиями, Николай Николаевич терялся во всех сложных политических положениях, где его манера повышать голос и угрожать наказанием не производила желаемого эффекта. Всеобщая забастовка в октябре 1905 года поставила его в тупик, так как кодекс излюбленной им военной мудрости не знал никаких средств против коллективного неповиновения. Нельзя же было арестовать несколько миллионов забастовщиков! По его мнению, единственное, что можно было сделать — это выяснить требования «командиров восстания». Попытка объяснить Николаю Николаевичу, что восстание 1905 рода носило анархический характер, и что не было «командиров», с которыми можно было вести, переговоры, оказалась бы безрезультатной.
Генерал А. А. Мосолов, бывший с 1900 по 1916 год начальником Канцелярии Министерства Императорского Двора, в своих воспоминаниях свидетельствовал о его особой роли в том, что Николай II пошёл на издание манифеста 17 октября 1905 года на пике революционной смуты: председателя комитета министров (вскоре ставший Председателем Совета министров) С. Ю. Витте докладывал царю, что есть только две возможности в сложившейся ситуации — дарование конституции или введение диктатуры; в Петербург был вызван Николай Николаевич, что было воспринято правыми кругами как знак того, что император намерен избрать второй путь; при такого рода словах, сказанных великому князю графом В. Б. Фредериксом, Николай Николаевич, в крайнем возбуждении, выхватил револьвер и закричал, что, если царь не примет программы Витте, то он застрелится у него на глазах (пересказ со слов барона Фредерикса). На исключительной роли Николая Николаевича в том, что царь избрал тогда путь уступок, настаивал во второй части своих воспоминаний (писались в январе 1908 года) и сам граф Витте; при этом, Витте пояснял: «<…> Под каким влиянием Великий Князь тогда действовал, мне было неизвестно. Мне было только совершенно известно, что Великий Князь не действовал под влиянием логики и разума, ибо он уже давно впал в спиритизм и так сказать свихнулся, а, с другой стороны, по „нутру“ своему представляет собою типичного носителя неограниченного самодержавия или, вернее говоря, самоволия, т.-е. „хочу и баста“.»
В феврале 1917 года, в числе ряда прочих, склонял императора к отречению, по поводу чего, а также его беспомощности в эмиграции, генерал Мосолов писал: «Письмо его государю перед отречением последнего свидетельствует о крайне узком кругозоре и весьма не возвышенной душе. <…> Во Франции, в изгнании, Николай Николаевич не сумел воссоединить русских монархистов в единое целое и, не пожелав признать главенства вел. князя Кирилла Владимировича, значительно способствовал бессилию наших легитимистов, лишённых возможности стать под единомышленным возглавлением.»
Великий князь Александр Михайлович, имевший разговор с Николаем на следующий по отречении последнего день, писал о поведении бывшего царя, пытавшегося объяснить ему необходимость своего шага:
«<…> Он показал мне пачку телеграмм, полученных от главнокомандующих разными фронтами в ответ на его запрос. За исключением генерала Гурко, все они и, между ними генералы Брусилов, Алексеев и Рузский, советовали Государю немедленно отречься от престола. Он никогда не был высокого мнения об этих военачальниках и оставил без внимания их предательство. Но вот в глубине пакета он нашел ещё одну телеграмму, с советом немедленно отречься и она была подписана Великим Князем Николаем Николаевичем.
— Даже он! — сказал Никки и впервые голос его дрогнул.»
В конце 1880-х у него возник роман с дочерью мелкого лавочника С. И. Бурениной, женой купца-меховщика и матерью двоих детей. Испрашивал у императора Александра III согласия на брак с ней. Из опубликованной после революции докладной записки обер-прокурора Святейшего Синода К. П. Победоносцева императору от 7 августа 1892 года явствует, что 6 мая того же года император устно дал согласие на их брак, который, однако, был позже не дозволен «по изменившимся обстоятельствам» (подлинные слова резолюции Александра III на докладе).
29 апреля (12 мая) 1907 года, в Ялте, сочетался браком с Анастасией Николаевной, урожденной принцессой Черногорской; ей было сорок лет, жениху пятьдесят. Для неё это был второй брак. На церемонии присутствовали только самые близкие. Детей у них не было. Как свидетельствует протопресвитер русской армии и флота Георгий Шавельский, находясь во время первой мировой войны в ставке в Барановичах великий князь каждый день писал письма жене в Киев