Николай Романов родился 18 ноября 1856 года в городе Санкт-Петербург. Являлся первым сыном великого князя Николая Николаевича и великой княгини Александры Петровны. В возрасте пятнадцати лет зачислен юнкером в Николаевское инженерное училище. После окончания училища в чине прапорщика, направлен в столичный учебный пехотный батальон. Получив чин подпоручика, переведен в учебный кавалерийский эскадрон. В 1876 году окончил Николаевскую академию Генерального штаба по первому разряду с малой серебряной медалью. Досрочно произведен в капитаны.
Николай Николаевич принимал участие в русско-турецкой войне 1877-1878 годов, состоял для особых поручений при своем отце - главнокомандующем. В числе первых форсировал Дунай, под огнем противника повел одну из колонн за собой, воодушевляя солдат личным примером. Участвовал в штурме Шипкинского перевала. За отвагу награжден золотой саблей с надписью «За храбрость» и произведен в полковники.
После войны Николай Николаевич Романов двенадцать лет прослужил в Лейб-гвардии Гусарском Его Величества полку, последовательно занимая должности от командира эскадрона до командира полка. С 1890 года являлся командиром 2-й Гвардейской кавалерийской дивизии. Усовершенствовал учебный процесс в Офицерской кавалерийской школе. Под его руководством принят ряд мер по реорганизации кавалерии». В 1901 году присвоен чин генерала от кавалерии.
В период с 1905 по 1908 год Николай Романов являлся председателем Совета государственной обороны. Провел пересмотр Положения о полевом управлении войсками и разработку нового устава. Добился выделения Генерального штаба из состава Военного министерства. Одновременно с председательством в Совете занимал пост Главнокомандующего войсками Гвардии и Санкт-Петербургского военного округа. В феврале 1909 года стал попечителем Офицерского собрания Армии и Флота.
В предвоенное время вследствие интриг Николай Николаевич устранен от участия в составлении Плана войны. На второй день после объявления Германией войны император Николай II назначил великого князя Верховным Главнокомандующим. Русская армия и вся Россия приветствовали это назначение. Принял Ставку такой, какой она уже была. Более того, Государь указал на недопустимость перемен в составе Ставки.
Князь Николай Николаевич 29 августа принял первое радикальное изменение - отменил наступление на Познань и направил все свободные силы для победоносного завершения Галицийской битвы. Победа в битве подняла боевой дух русских армий и отодвинула на второй план разгром армии генерала Самсонова. Полководческий дар, его воля проявились в решительном контрманевре в районе Лодзи. К весне 1915 года германскому командованию удалось перебросить из Франции и сосредоточить достаточно сил, чтобы попытаться вывести Россию из войны. К тому времени, русские армии все более испытывали острую нужду в боеприпасах, ощущалась нехватка: ружей, снарядов, пулеметов. Выдающееся самообладание и большое искусство в военном деле помогли великому князю отвести армии с Карпат и из «Польского мешка» на новые оборонительные рубежи, избежав окружений.
Однако в сентябре Николай II отстранил великого князя от должности Главнокомандующего и сам встал во главе армии. Николай Николаевич из Ставки выехал в свое имение Першино, где задержался на три недели, откуда прибыл в Тифлис. Оставался на Кавказе до 1917 года. О событиях Февральской революции узнал 14 марта в Батуме, куда ездил на встречу с командующим Черноморским флотом адмиралом Колчаком. Через некоторое время выехал в Ставку в Могилев, чтобы занять пост Верховного Главнокомандующего. Однако, получив письмо главы Временного правительства князя Львова с решением Временного правительства о невозможности для него быть Верховным Главнокомандующим вышел в отставку.
Впоследствии Николай Николаевич оставил военную деятельность и уехал в крымское имение Дюльбер, принадлежавшее его младшему брату Петру Николаевичу. В имении жил во время событий октябрьского переворота и во время германской оккупации Крыма в 1918 году, ни с кем не общаясь и никого не принимая. С угрозой вступления в Крым красных войск в конце марта 1919 года уехал из России.
В эмиграции Николай Николаевич жил в Италии в Генуе в качестве гостя короля Виктора Эммануила III, своего свояка. С 1922 года во Франции проживал под фамилией Борисов на вилле «Тенар» в Антибе. В июле 1923 года поселился в замке Шуаньи. В ноябре 1924 года принял общее руководство русской военной организацией в эмиграции - Русским Общевоинским Союзом. Среди некоторых групп белой эмиграции считался претендентом на российский Престол, но сам никаких монархических притязаний не высказывал. После ухудшения здоровья, в октябре 1928 года Николай Николаевич переехал в Антиб, где снова арендовал виллу «Тенар».
Скончался Николай Николаевич Романов-младший 5 января 1929 года вследствие ослабления деятельности сердца, в возрасте 73-х лет. Отпевание великого князя было совершено в каннской церкви Святого Архангела Михаила в присутствии высших военных чинов Франции и почетного караула. Похоронен в склепе храма со всеми воинскими почестями.
Прах великого князя и его супруги Анастасии Николаевны перезахоронен 30 апреля 2015 года в часовне Преображения Господня на Братском воинском кладбище в Москве. Инициаторами переноса останков царской семьи из Франции в Россию выступили великие князья Димитрий Романович и Николай Романович Романовы, ссылаясь на волю умершего.
орден Святого Андрея Первозванного (1856)
орден Святого Александра Невского (1856)
орден Белого орла (1856)
орден Святой Анны 1 ст. (1856)
орден Святого Станислава 1 ст. (1865)
орден Святого Георгия 4 ст. (1877)
золотая сабля «За храбрость» (10.07.1877)
орден Святого Владимира 3 ст. (1884)
Высочайшая благодарность (1889)
орден Святого Владимира 2 ст. (1890)
Высочайшая благодарность (1890)
Высочайшая благодарность (1893)
Высочайшая благодарность (1894)
Высочайшая благодарность (1895)
Высочайшая благодарность (1896)
орден Святого Владимира 1 ст. (1896)
Высочайшая благодарность (1897)
Искренняя признательность Его Величества (1901)
Высочайший рескрипт (1901)
Высочайшая искренняя благодарность (1902)
выражение сердечной признательности Его Императорского Величества в Высочайшем рескрипте (1905)
выражение сердечной признательности Его Императорского Величества в Высочайшем рескрипте (1906)
изъявление особой сердечной благодарности Его Императорского Величества (1908)
выражение глубокой признательности Его Императорского Величества в Высочайшем рескрипте (1908)
душевная признательность Его Императорского Величества (1909)
глубокая признательность Его Императорского Величества в Высочайшем рескрипте (1909)
душевная признательность Его Императорского Величества (1910)
в Высочайшем рескрипте глубокая признательность Его Императорского Величества (1910)
при Высочайшем рескрипте портрет государя императора Николая II, осыпанный бриллиантами, для ношения на груди (11.06.1911)
душевная признательность Его Императорского Величества (1911)
душевная признательность Его Императорского Величества (1911)
душевная признательность Его Императорского Величества (1912)
душевная признательность Его Императорского Величества (1912)
знак отличия беспорочной службы за XL лет (1912)
Высочайший рескрипт (1913)
признательность Его Императорского Величества (1913)
орден Святого Георгия 3 ст. (23.09.1914)
орден Святого Георгия 2 ст. (09.03.1915)
Георгиевская сабля, бриллиантами украшенная, с надписью «За освобождение Червонной Руси» при Высочайшем рескрипте (12.04.1915)
в Высочайшем рескрипте глубокая благодарность Его Императорского Величества (23.08.1915)
Иностранные:
мекленбург-шверинский крест «За военные заслуги» (1874)
греческий орден Спасителя 1 ст. (1875)
прусский орден Чёрного орла 1 ст. (1878)
мекленбург-шверинский орден Вендской короны, большой крест (1878)
сербский орден Таковского креста 1 ст. (1878)
черногорский орден Князя Даниила I 1 ст. (1878)
румынский орден Звезды Румынии (1878)
прусский орден «Pour le Mérite» (1878)
румынский крест «За переход через Дунай» (1878)
австрийский орден Святого Стефана, большой крест (1896)
французского орден Почётного легиона, большой крест (20.12.1896)
ольденбургский орден Заслуг герцога Петра-Фридриха-Людвига (1902)
датский орден Слона (19.07.1909)
великобританский орден Бани, большой крест (1915)
французская медаль «За военные отличия» (1915)
бельгийский орден Леопольда II, большой крест (1915)
Отец - Великий князь Николай Николаевич Старший (1831-1891), третий сын императора Николая I
Мать - Великая княгиня Александра Петровна (1838-1900), урожденная принцесса Ольденбургская
Жена - Анастасия Черногорская (1868-1935), в браке с 12 мая 1907 года