Плита колумбария Верхотурова на Новодевичьем кладбище Москвы.Вначале учился в Нерчинском духовном училище. Рисованию его начал учить нерчинский художник-педагог П.Н. Рязанцев.
С 1883 по 1888 г. учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества.
В этот период награждался малыми серебряными медалями (1885, 1888).
С 1886 г. принимал участие в выставках.
С 1889 по 1901 г. жил в Иркутске, где вместе с художником М. А. Рутченко-Короткоручко пытался основать рисовальную школу .
В 1901—1907 гг. обучался в мастерской И. Е. Репина в Императорской Академии художеств.
В 1907 г. за написанную им картину «Спор о крестном знамении» получил звание художника.
В 1907 г. руководил работами по созданию иконостаса Старослободской Воскресенской церкви, для которого написал 48 икон.
В 1909—1911 гг. расписал фриз «Торжество Диониса, или Рождение театра» в зрительном зале Ярославского драмтеатра.
В 1910 г. организовал «Общину художников» .
В начале 1910 г. в рамках цикла «Старые революционеры» им написаны портреты революционеров Г.В. Плеханова и П.А. Кропоткина (хранятся в Государственном Русском музее в Санкт-Петербурге).
В декабре 1911 г. — январе 1912 г. принимал участие во Всероссийском съезде художников.
В 1917—1926 гг. жил в Забайкалье. Стал членом редколлегии журнала «Театр и искусство» и одним из инициаторов создания в Чите Общества любителей изящных искусств.После переезда в Москву около 1926 г. работал в Политехническом музее. Н.И. Верхотуров был изобретателем, на его имя зарегистрировано 14 патентов.Скончался 21 февраля 1944 г. в Москве, похоронен на Новодевичьем кладбище.Картины художника хранятся в Государственном центральном музее современной истории России в Москве, в Государственном музее политической истории России в Санкт-Петербурге, в Иркутском областном художественном музее в Иркутске, в Забайкальском краевом художественном музее в Чите, в Челябинском областном краеведческом музее в Челябинске, в частных коллекциях.