Николай Николаевич Петров родился 15 (27) декабря 1883 года в Москве в семье потомственного дворянина. Начальное образование получил в 1-м Московском кадетском корпусе. В 1902 году поступил в Михайловское артиллерийское училище. Выпущен подпоручиком полевой пешей артиллерии во 2-ю гренадерскую артиллерийскую бригаду в 1903 г. Чуть позже обучался с дополнительным курсом в Михайловской артиллерийской академии, по окончании которой в 1909 г. был направлен на Санкт-Петербургский трубочный завод. Этот завод занимался производством взрывателей для артиллерийских снарядов.

Высочайшим приказом от 17 (30) января 1911 года Н. Н. Петров был назначен исправляющим (исполняющим) должность начальника Тульской оружейной школы в чине штабс-капитана полевой пешей артиллерии.

В 1912 году был зачислен по гвардейской пешей артиллерии. При этом, в качестве поощрения за усердие в службе был оставлен в чине штабс-капитана.

При переводе офицеров русской императорской армии в гвардию им присваивался чин на одну ступень ниже имеющего. Это не было умалением их прав по службе. Офицеры гвардии имели определённые льготы и чин полковника получали, минуя чин подполковника. Иногда при переводе в гвардию в качестве поощрения им оставляли имеющийся чин. Что было применено по отношению к штабс-капитану Н. Н. Петрову. В 1914 году он был зачислен по гвардейской лёгкой артиллерии.

В годы первой мировой при Николае Николаевиче Петрове ученики приобретали поистине бесценный опыт. В мастерской они ремонтировали повреждённое в ходе боевых действий отечественное оружие, а на базе Тульского отделения Московского окружного арсенала производили консервацию захваченного русскими солдатами в качестве трофеев иностранного оружия. Кроме этого они принимали участие в изготовлении частей траншейных орудий ближнего боя системы Лихонина (первые миномёты), изучали новый на тот момент образец оружия пулемет системы Льюиса.

Вплоть до мая 1916 года Н. Н. Петров так и оставался исправляющим должность начальника Тульской оружейной школы. Обычно офицер, назначенный на ту или иную должность в течение трёх лет считался исправляющим эту должность, а по истечении этого срока он окончательно утверждался в соответствующей должности.

Почему Н. Н. Петров так и не был утверждён в должности начальника школы, ― сейчас установить невозможно. Но, можно предположить, что это связано с двумя чрезвычайными происшествиями, случившимися в школе в 1913 году. В январе 1913 г. ученик школы Николай Казанцев без ведома начальства пронёс в мастерскую школы ствол от шомпольного охотничьего ружья (такое ружьё заряжалось с дульной части ствола)  и там стал нагревать его в кузнечном горне. Ствол оказался заряженным, произошёл выстрел. Н. Казанцев был тяжело ранен в область живота и через сутки скончался в земской больнице. А в ноябре 1913 года другой ученик Виктор Погоржельский был найден мёртвым в съёмной квартире. Возле тела полицейскими были обнаружены несколько склянок с лекарством на основе морфия. Было установлено, В. Погоржельский утром обращался к врачу завода Норбекову с жалобой на здоровье. Тот выписал ему лекарство и отпустил домой. Тело В. Погоржельского обнаружила хозяйка квартиры.

В мае 1916 г. Н. Н. Петров был «командирован в распоряжение Главного артиллерийского управления для командирования в Северо-Американские Соединённые Штаты (США) приёмщиком» (формулировка списков офицерских чинов по старшинству Тульского оружейного завода). В этой командировке он пробыл вплоть до конца 1917 года. При этом он не был исключён из списков Тульского оружейного завода и формально числился исправляющим должность начальника Тульской оружейной школы.

В декабре 1916 года он будет произведён в гвардии капитаны. А в октябре 1917 года, за несколько дней до Октябрьской революции, он будет удостоен чина полковника. Вернулся ли он в Россию и, что стало с ним после Октябрьской революции 1917 года, ― неизвестно.