Сложная политическая обстановка в городе заставила В.М. Голицына 25 октября 1905 года сложить с себя полномочия городского головы. Николай Гучков дал согласие баллотироваться на эту должность и на совещании гласных городской думы 17 ноября изложил свою программу. Он заявил, что, какие бы ни происходили события, дума должна непрерывно исполнять задачи, возложенные на нее законом. 19 ноября его избрали городским головой (103 голоса против 21), а 29 ноября Н.И. Гучков Высочайшим указом императора был утвержден в должности московского городского головы.
Это было сложное время. Манифест 17 октября не принес Москве успокоения: в декабре началось восстание. Перед Н.И. Гучковым стояла сложнейшая задача вернуть город к нормальной мирной жизни. Для этого он прежде всего наладил деловые контакты с городской администрацией, губернатором В.Ф. Джунковским и генерал-губернатором Ф.В. Дубасовым. Эти усилия постепенно стали приносить плоды, и на заседании думы 16 декабря 1905-го Гучков сообщил, что ряд учреждений прекратили забастовку. Он сумел добиться от Дубасова постановления, в котором полковнику Семеновского полка Г.А. Мину предлагалось установить способ эвакуации жен и детей рабочих из подвергшейся обстрелу правительственными войсками Пресни. С разрешения Ф.В. Дубасова эвакуированные разместились в здании городской думы на Воскресенской площади.
Разделяя политические взгляды своего брата Александра, Николай Гучков вступил в партию «Союз 17 октября». Он был избран в состав ЦК, редакционного комитета центральной партийной газеты «Голос Москвы», а также стал пайщиком Московского товарищества для издания книг и газет, учрежденного для финансирования публикаторской деятельности «Союза».
Николай Иванович понял, что, занимая пост городского головы, он должен находиться вне партийной борьбы и действовать на благо родного города. Он считал, что активная политическая деятельность мешает решению конкретных вопросов. А потому выходит из «Союза 17 октября» и провозглашает курс на беспартийную хозяйственную деятельность. Призыв Н.И. Гучкова не вносить политическую борьбу в деятельность Московской думы не был услышан гласными. Кадеты использовали любой повод для дискредитации городского головы. Стремясь провести свои решения, они затягивали прения, выступая несколько раз по одному и тому же вопросу. Николай Иванович пытался ограничить подобную практику, но безуспешно; кадеты организовали в прессе клеветническую кампанию, обвиняя его в политиканстве. Однако сорвать перевыборы Н.И. Гучкова на пост городского головы на новый срок они так и не смогли. 19 января 1909 года последовало Высочайшее соизволение на его назначение. В новом составе думы политическая борьба не прекращалась. Несмотря на то что конституционные демократы стремились превратить заседания в дискуссионные клубы, городской голова ценил профессиональный уровень некоторых из них, предоставляя возможность занимать должности председателей важнейших думских комиссий.
В 1912 году, накануне окончания работы Н.И. Гучкова в должности городского головы, кадеты опять развернули против него кампанию в прессе. Его обвиняли в том, что 20 млн свободных городских денег он поместил в частные банки, которые могут в любой момент обанкротиться, в результате чего казна лишится средств. Надуманность подобных обвинений прекрасно понимал председатель финансовой комиссии кадет Л.Л. Катуар: эти операции осуществлялись с его ведома. С 1892 года городские денежные средства размещались в частных банках потому, что в государственных на них не начислялись проценты. Гучков всего лишь продолжал сложившуюся традицию, о чем было известно всем гласным думы. Тем не менее в избирательной кампании было использовано обвинение городского головы в самовольном распоряжении городскими финансами. Николай Иванович, объявивший о своей внепартийности, от борьбы устранился, что привело его к поражению на выборах. Он получил 77 голосов, а кадет князь Г.Е. Львов – 82; по результатам прошли оба кандидата, и решение оставалось за администрацией. Зная, как высоко ценили Н.И. Гучкова в Министерстве внутренних дел, гласные были убеждены, что именно он станет городским головой. Но Николай Иванович не мог допустить подобных действий администрации, видя в этом посягательство на выборное начало городского самоуправления, которое он при вступлении в должность обещал оберегать. Проявив гражданское мужество, он снимает свою кандидатуру.