Николай Васильевич Васильев родился в Петербурге 26 ноября (8 декабря) 1875 и был крещён 3 декабря в Исаакиевском соборе, о чём сохранилась запись в метрической книге собора. Его отец, крестьянин села Погорелки Угличского уезда Ярославской губернии, смог со временем перейти в купеческое сословие.Учился в Санкт-Петербургском коммерческом училище. Затем служил в армии, после чего в 1896 году поступил в Институт гражданских инженеров. Окончил институт в 1901 году с серебряной медалью «за лучшие архитектурные проекты» . По окончании Института Гражданских инженеров поступил в Академию Художеств, где учился в мастерской Л. Н. Бенуа. Закончил Академию в 1904 году.
До революции жил и работал в Санкт-Петербурге.
С 1906 года служил в канцелярии по учреждениям Императрицы Марии, одновременно занимаясь частной практикой. Основной сферой деятельности Николая Васильева была работа над конкурсными проектами, большей частью в компании бывших сокурсников — коллег архитекторов.
В рамках этой деятельности Васильев брал на себя в основном решение художественных задач — оформление фасадов, предоставляя коллегам работу над планом. Отдельного внимания заслуживают выполненные Васильевым перспективы зданий, имеющие самостоятельное художественное значение. Наиболее успешным стал союз с Алексеем Бубырем, среди их совместных работ дом Бубыря на Стремянной улице и Немецкий театр в Ревеле (Таллин).Конец десятилетия стал самым плодотворным периодом в карьере архитектора. Им были представлены проекты Соборной мечети (1-я и 2-я премии) в Санкт-Петербурге и купеческого банка в Харькове (2-я премия), доведённые впоследствии до строительства, велась активная проектная работа для Ревеля (Таллин). Творческим достижением Васильева стали проекты больших жилищных комплексов с оригинальным оформлением фасадов. Идеи, сформулированные в этих работах, были позднее реализованы при строительстве комплекса Бассейного кооператива.Считается одним из лидеров направления «северный модерн» , возникшего в Петербурге под влиянием архитектуры Финляндии. Получил высокую оценку своего творчества от известного финского архитектора Элиэля Сааринена.
В 1910-е годы проекты Николая Васильева в стиле «неоклассицизм» не доходят до реализации. Более поздние значительные работы — жилой комплекс Бассейного товарищества собственных квартир («Бассейный кооператив» ) и здание торговых рядов на Литейном проспекте («Новый пассаж» ).
В 1918 году эмигрировал через Турцию и Сербию в США. Успешно работал в Америке, направлял проекты на представительные архитектурные конкурсы в СССР.