Николай с детства владел французским и немецким языками, в 9 лет он поступил в немецкую школу, затем занимался в реформаторской церковной школе. После смерти отца (1822) 14-летнего Колю, который был крестником вдовствующей императрицы Марии Федоровны, при ее содействии приняли учиться за казенный счет и на полный пансион в Академию художеств. Он учился очень хорошо, неоднократно получал поощрения, в том числе медали, за свои архитектурные работы. После завершения учебы он получил право учиться за границей как пенсионер Академии. Но 2 года до этой поездки он должен был работать в Санкт-Петербурге по профессии. В возрасте 27–33 лет Н.Л. Бенуа в качестве пенсионера Академии совершенствовал свои знания в Италии, посетил также Францию и Англию для ознакомления с архитектурой Средневековья, достигшей в них совершенства. В 1846 г. Бенуа вернулся в Петербург, был зачислен архитектором на службу в Кабинет его императорского величества. К Бенуа благоволил император Николай I, ценивший его как архитектора. Бенуа успешно работал по государственным, царским, частным заказам. Этому способствовало и то, что тогда в моде был его излюбленный готический стиль.
Бенуа в 34 года получил звание академика архитектуры, был удостоен ордена Святого Владимира IV степени. Он много создавал проектов для Петербурга и его пригородов, много работал по заказам и для других мест России. В 37 лет он женился на Камилле Кавос – дочери архитектора А.К. Кавоса, у них было 9 детей, но 2 из них умерли в раннем возрасте.
В возрасте 44 лет Н.Л. Бенуа получил звание профессора Академии художеств. С 55 лет он был избран в гласные Городской думы Петербурга (1868), избирался в думу каждые четыре года. В возрасте 77–80 лет он был председателем Санкт-Петербургского общества архитекторов. Бенуа умел находить общий язык с самыми разными людьми, в том числе заказчиками работ, умудрялся влиять на их художественные вкусы, был способен идти в разумных масштабах на творческие компромиссы, помнил о своих общественных и семейных обязанностях, свято чтил память умершей жены (1891 г.; ему тогда было 78 лет). Н.Л. Бенуа умер в возрасте 85 лет.