Первое крупное сооружение Николая Бенуа — готические конюшни в Петергофе, построенные по личному заказу Николая I, в 1850 году стал главным архитектором при Петергофском дворцовом правлении. Тогда же он приступил к строительству Фрейлинских корпусов близ Большого Петергофского дворца. Им построено здание Петергофского вокзала, вокзальные павильоны на станциях в Стрельне, Сергиево и Красном Селе. Вместе с А. К. Кавосом Николай Бенуа построил здание почты, решенное в готическом стиле, часовню на Торговой площади, официантский дом, придворный госпиталь и богадельню.
В 1857 году получил звание профессора Академии художеств. В 1859–1860 годах по его проекту была проведена капитальная реконструкция Большого грота и каскада, Самсоновского ковша и канала, фонтанов восточной части Нижнего парка, Марлинского каскада. В 1857 году архитектор завершил свою работу, связанную с Петергофом.
В 1863 году Николай Бенуа назначен главным архитектором императорских театров, сменив на этом посту А. К. Кавоса. Первой работой зодчего на этой должности стал театр в Гельсингфорсе. Им же частично перестраивались Александринский и Мариинский театры, был построен летний деревянный театр в Павловске.
Во время правления Александра II к архитектору стало приходить все меньше государственных заказов. Новый император вел более экономную деятельность, и Бенуа начал работать над частными заказами. Построил новый дворовой флигель Шереметевского дворца на Фонтанке, дом князя Касаткина-Ростовского (наб. р. Мойки, 84), дом Шульца на Литейном проспекте, дом Кребера на углу улиц Рылеева и Маяковского, ферма в усадьбе Ульянка на Петергофском шоссе, дом Общества поземельного кредита на Адмиралтейской набережной (совместно с А. И. Кракау), арестный дом в Александро-Невской части (совместно с А. Р. Гешвендом).
С 1868 года избирался каждые четыре года в гласные городской думы, член городской строительной комиссии, позже ставшей Городской управой. Через Бенуа проходили все городские проекты. В 1890–1893 годах зодчий был председателем Санкт-Петербургского общества архитекторов.
Николай Леонтьевич Бенуа умер 11 декабря 1898 года. Его похоронили на римско-католическом кладбище Выборгской стороны, в им же построенной церкви Святой Марии.
Его отцом был Николай Леонтьевич Бенуа — известный зодчий середины XIX века. Курс обучения в Академии молодым человеком был завершен в 1879 году, за год до положенного срока. При этом Бенуа получил Большую золотую медаль.
Еще будучи студентом, с 1878 года Леонтий Бенуа начал преподавать в школе Общества поощрения художников. В 1883 году он был принят на должность адьюнкт-профессора в Институт гражданских инженеров, в 1893 году приглашен в Академию художеств руководителем одной из мастерских архитектурного отделения. Леонтий Бенуа был учителем в будущем таких известных архитекторов, как А. Е. Белогруд, Н. В. Васильев, Н. Е. Лансере, Ф. И. Лидваль, М. М. Перетяткович, И. А. Фомин, В. А. Щуко и многих других.
Строительная практика Леонтия Бенуа началась еще в его студенческие годы. В это время он возвел башню-бельведер и концертный зал в Озерках. Вместе с архитектором Р. А. Гедике в 1881–1882 годах Бенуа построил здание общежития для студентов Петербургского университета.
Первой крупной работой Леонтия Бенуа в Санкт-Петербурге стал доходный дом В. А. Ратькова-Рожнова (Загородный пр., 39 / Гороховая ул., 79). Здесь Бенуа продолжил реализовывать проект, начатый В. А. Шретером. По схожему проекту зодчий построил свой дом (В. О. 3-я линия, 20), особняк Е. Ц. Кавоса (Каменноостровский пр., 24 / Большая Монетная ул., 10). Для страхового общества «Россия» Бенуа построил целый жилой комплекс (Моховая ул., 27–29), а также здание правления (Большая Морская ул., 37). Рядом с этим домом по проекту Бенуа было построено и здание Первого Российского страхового общества (Большая Морская ул., 40).
На Невском проспекте Леонтием Бенуа перестраивалось здание Волжско-Камского банка, строилось здание Московского купеческого банка (Невский пр., 46).
Перестраивал Придворную певческую капеллу (наб. р. Мойки, 20), построил Дворец выставок (наб. кан. Грибоедова, 2 / Инженерная ул., 2), ставший известным как «корпус Бенуа», католический костел Нотр-Дам де Франс (Ковенский пер., 7), здание Государственной типографии (Чкаловский пр., 15), жилой комплекс Первого Российского страхового общества (Каменноостровский пр., 26–28). Всего в Санкт-Петербурге им построено около 40 зданий.
Немецкий архитектор. Образование получил в Берлине. В 1850-х — начале 1860-х гг. работал в России. Проектировал здания самого разного назначения — заводские комплексы, жилые дома, особняки дворцового типа. Наиболее известной его работой стал особняк З. И. Юсуповой (1852–1858 гг.) на Литейном пр., 42. Почетный член Петербургской и Берлинской академий художеств.