По окончании техникума в 1930 году Кузнецов поступил помощником таксатора в земельное управление в Кудымкаре. В 1931 году он восстановился в комсомоле, но в следующем году был вновь исключен — из-за судимости по хозяйственному делу (дело было сфабриковано НКВД). В июне 1932 года он был завербован Коми-Пермяцким окружным отделом ГПУ в качестве внештатного сотрудника — проще говоря, осведомителя (псевдоним «Кулик»). В 1934 году Кузнецов переехал в Свердловск и устроился на работу статистиком в «Свердлес», а затем чертежником на Верх-Исетский заводи, наконец, расцеховщиком конструкторского бюро «Уралмаша». В Сверловском областном управлении НКВД он проходил под кличкой «Ученый». В характеристике на Кузнецова было отмечено: «Находчив и сообразителен, обладает исключительной способностью завязывать необходимые знакомства и быстро ориентироваться в обстановке. Обладает хорошей памятью». В январе 1939-го Кузнецов познакомился с руководящим сотрудником НКВД Михаилом Журавлевым, который через несколько месяцев порекомендовал его начальнику отделения отдела контрразведки НКВД Леониду Райхману как способного агента, блестяще владеющего немецким языком и вообще полиглота. Так Кузнецов оказался в Москве, где и был привлечен к работе в НКВД — здесь заметим, что, по фильму, Штирлиц все-таки агент ГРУ, а не НКВД, то есть военной, а не политической разведки (иначе зачем ему праздновать 23 февраля — День Красной Армии; у чекистов был свой праздник). Сначала он работал секретным спецагентом контрразведки (с окладом кадрового оперуполномоченного) под кодовым именем «Колонист». Официально же Кузнецов, по оперативной легенде, являлся инженером-испытателем авиационного завода Рудольфом Вильгельмовичем Шмидтом.
Он работал по линии контрразведки, занимаясь освещением сотрудников немецкого посольства в Москве. В сентябре 1941 года Кузнецов писал: «Последние три года я, за коротким исключением, провел за границей, объехал все страны Европы, особенно крепко изучал Германию», — в результате этой подготовки и несомненных способностей к языкам Кузнецов получил настолько хорошие знания немецкого, что вполне мог сойти за коренного немца.
Летом 1942 года после соответствующей подготовки Кузнецов был направлен в отряд особого назначения «Победители» под командованием Дмитрия Медведева — фактически диверсионно-разведывательный отряд НКВД. В отряде Кузнецов проходил под именем Николая Васильевича Грачева (то есть, как и у Штирлица (Максим Исаев), у него даже русское имя было «не родным»). Центром деятельности Кузнецова стал город Ровно, где он появился с документами на имя немецкого обер-лейтенанта Пауля Зиберта (он и Штирлиц — кавалеры Железного креста 1-го и 2-го класса). Важнейшими сведениями, которые были им получены, стала информация о планировавшейся германским командованием операции «Цитадель» — наступлении на Курской дуге. Ему же удалось получить сведения о местонахождении Ставки Гитлера «Вервольф» под Винницей, а также информацию о подготовке покушения на глав стран антигитлеровской коалиции во время их встречи в Тегеране.
Однако в деятельности Кузнецова было довольно много элементов авантюризма и тяги к проведению диверсий. Его самыми известными операциями стало убийство имперского советника Геля и его секретаря Винтера, через месяц он смертельно ранил заместителя рейхскомиссара Украины регирунгспрезидента Пауля Даргеля, а затем убил президента Верховного суда на Украине А. Франка — причем в здании самого суда, — а также вице-губернатора Галиции Отто Бауэра. Всего на счету Кузнецова было восемь убитых чиновников. Кроме того, он организовал похищение из Ровно командующего восточными войсками особого назначения на Украине генерал-майора Макса Ильгена (не «фон Илгена», как пишут обычно) и личного шофера рейхскомиссара.
Кузнецов совершил невозможное: русский человек, гражданский, ни в какой армии ни дня не служивший и даже воинского звания не имевший, в Германии никогда не бывавший, действовал под именем немца 16 месяцев, причем в столице рейхскомиссариата Украина, где было множество настоящих немцев.
В конце декабря 1943 года Кузнецов получил новое задание — развернуть разведывательную работу в городе Львове. В ночь на 9 марта 1944 года Николай Кузнецов попал в село Боратин Львовской области в засаду, устроенную бендеровцами, и погиб. Посмертно Кузнецов 5 ноября 1944 года был удостоен звания Героя Советского Союза.
В одной из публикаций в «Татарских новостях» на роль прототипа Штирлица был выдвинут Игорь Харитонович (Ибрагим Хатямович) Агагин, который во время войны под именами Отто Вебера, Рудольфа Крюгера и Рудольфа Бауера также действовал в немецком тылу и даже какое-то время служил адъютантом у комиссара тайной полевой полиции — армейском аналоге гестапо. Но опять-таки он был зондерфюрером, то есть фактически гражданским специалистом.