Николай Бартрам родился 24 августа 1873 года в селе Семеновка Курской области. Вырос в семье художника-акварелиста Дмитрия Эрнестовича Бартрама. С ранних лет мастерил и рисовал.

С 1889 по 1891 года учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, но из-за слабого здоровья вернулся домой, где организовал учебную мастерскую по изготовлению деревянных игрушек, которой руководил 10 лет. Стал изучать историю русской игрушки. Впоследствии начал собирать коллекцию отечественных и зарубежных игрушек. Вместе с игрушками привозил из поездок пояса, старинные женские платки, сарафаны, предметы быта.

В период с 1900 по 1903 года проехал по Европе. Побывал почти во всех игрушечных мастерских, привезя в Россию чемоданы кукол, солдатиков, игрушечных животных. Кроме прочего, собирал нэцке - японские статуэтки, предметы детской жизни: учебники, тетради, детскую посуду.

С 1904 года Николай Дмитриевич стал художником Московского губернского земства, заведующим художественным отделом Кустарного музея. Им организована при музее мастерская игрушек, где изготавливали кукол с фарфоровыми головками в русских народных костюмах. Работал в музее до 1917 года.

В 1918 году по его инициативе в городе Москва открылся Музей игрушки. Экспозиция сначала находилась в четырехкомнатной квартире коллекционера на Смоленском бульваре и постепенно пополнялась игрушками и детскими предметами из национализированных усадеб. Ему удалось собрать внушительную коллекцию детских портретов XVIII-XIX веков.

С 1916 по 1920 года Бартрам занимал пост Председателя Союза работников декоративного искусства и художественной промышленности, затем заведующего Комиссией декоративного искусства Коллегии Главного музея Народного комиссариата просвещения России. Стал членом Комиссии по охране памятников искусства и старины Наркомпроса, избран действительным членом Государственной академии художественных наук.

В 1924 году Музею игрушки отдали особняк Хрущевых-Селезневых. Директором оставался Николай Дмитриевич. Позже музей перевели в город Сергиев Посад, Московская область.

Николай Бартрам первый в России подал идею архитектурной игрушки. Сделав архитектурные обмеры исторических объектов, создал игрушки «Красные ворота», «Сторожевая башня», «Сухарева башня», «Люди XIX века», композиции «Городок XVII века», «Уголок старой Москвы».

Умер Бартрам Николай 13 июля 1931 года в городе Москва. Похоронен на Новодевичьем кладбище.