Родился 6 февраля 1861 в уездном городе Тирасполе Херсонской губернии.

Родители мальчика рано умерли от туберкулеза, и Николай остался на попечении бабушки Марии Петровны Васильевой. Его первые взгляды, вкусы, а также душевные качества формировались под благотворным влиянием этой замечательной русской женщины. Три года Николай учился в Тираспольском уездном училище, затем в Ришельевской гимназии в Одессе.

В 1880 году Николай оканчивает гимназию и поступает на естественное отделение физико-математического факультета Новороссийского (ныне Одесского) университета. Из всех предметов, которыми на первом курсе занимался Зелинский, больше всего его заинтересовала химия. Занятия со студентами проводил П.Г. Меликишвили, в котором Николай видел своего старшего друга. Он же читал лекции по органической химии, уделяя большое внимание теории химического строения Бутлерова. Зелинский попросил Меликишвили включить его в исследовательскую группу, чтобы самостоятельно выполнить синтез. Он синтезировал альфа-метиламино-бета-оксимасляную кислоту. В мае 1884 года работа была опубликована в «Журнале Русского физико-химического общества». В этом же году Николай получил диплом об окончании университета и был оставлен работать при кафедре химии.

По существовавшей тогда традиции молодые русские ученые обязательно проходили стажировку в передовых западноевропейских лабораториях. Зелинского также командировали в качестве факультетского стипендиата в Германию. Учитывая направление научных работ в Новороссийском университете, для стажировки были выбраны лаборатории И. Вислиценуса в Лейпциге и В. Мейера в Геттингене, где уделялось большое внимание вопросам теоретической органической химии.

Мейер предложил Николаю принять участие в работах по синтезу производных тиофена. Эти исследования впоследствии стали частью его диссертационной работы.

В 1888 году молодой ученый вернулся в Одессу. После сдачи магистерского экзамена он был зачислен приват-доцентом в университет и начал вести курс общей химии для студентов математического отделения физико-математического факультета. С 1890 году он читает для старшекурсников избранные главы органической химии. Одновременно Зелинский ведет большую научную работу. В исследовательскую деятельность он вовлекает способных студентов, ставших его верными учениками и помощниками. Под руководством Н.Д. Зелинского свои первые работы сделали А.М. Безредка, А.А. Бычихин, С.Г. Крапивин и другие студенты, ставшие впоследствии известными учеными. Зелинский в этот период продолжает исследования, начатые в Германии. Одна за другой выходят в свет статьи ученого о производных тиофена.

В 1889 году он представляет к защите магистерскую диссертацию «К вопросу об изомерии в тиофеновом ряду». В ней получили дальнейшее развитие теоретические представления органической химии.

Защита магистерской диссертации состоялась в 1889 году.

Подробно изучая явление стереоизомерии на целом ряде производных предельных двухосновных карбоновых кислот, Зелинский таким методом получил производные янтарной, глутаровой, адипиновой и пимелиновой кислот.

Он делает вывод, что «явления стереоизомерии среди углеродных соединений должны быть признаны фактом, действительно существующим и теми учеными, которые относились с сомнением и враждебно к возможности существования изомеров, структурно идентичных. Теория строения не предвидела таких случаев изомерии, ... но стоило только формулам строения придать стереометрическое значение, как то, что казалось непонятным, приняло новую и ясную форму, нисколько не подрывая основ теории химического строения, но, напротив, все далее ее развивая и совершенствуя».

В1891 году Зелинский получил степень доктора химии за работу «Исследование явлений стереоизомерии в рядах предельных углеродистых соединений».

Летом 1891 года Зелинский получает неожиданное приглашение принять участие в глубоководной экспедиции по исследованию Черного моря. Во время экспедиции он взял для анализа пробы грунта с разных глубин в пяти различных пунктах Черного моря, чтобы выяснить источник сероводорода в Черном море. Анализы Зелинского убедительно показали, что сероводород в море является продуктом жизнедеятельности особых бактерий, живущих на дне моря.

Осенью 1893 года Николай Дмитриевич приступил к работе в Московском университете. Он возглавил кафедру органической химии и одновременно стал заведовать аналитической и органической лабораториями. В Московском университете в полной мере проявились выдающиеся педагогические способности Зелинского. На основании существовавших учебников и собственного богатого опыта он создал свой оригинальный курс органической химии. Лекции по этому предмету Зелинский читал просто и понятно, сопровождая их постановкой многочисленных интересных и разнообразных опытов.

Наряду с большой научно-педагогической деятельностью в университете Зелинский много времени уделял общественной работе вне университета. Он организовывает кафедру органической химии на вновь открывшихся в 1900 году Московских высших женских курсах и становится ее руководителем. В начале века по предложению Министерства финансов Николай Дмитриевич оборудует в Москве Центральную лабораторию, из которой впоследствии вырос Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ. В 1908 году он принимает деятельное участие в организации народного университета А.Л. Шанявского. Вступив в Русское физико-химическое общество еще в 1887 году, Зелинский за пятьдесят лет сделал на его собраниях около 150 докладов. В 1924 году за эту педагогическую деятельность ему присудили большую премию им. А.М. Бутлерова.

У Зелинского была в распоряжении маленькая лаборатория с 12 рабочими студенческими местами. В этой лаборатории ученый и продолжил экспериментальные исследования, вытекавшие из методов синтеза, примененных им ранее в работах по получению замещенных двухосновных кислот жирного ряда и по замыканию гетероциклов.

Теперь он решил попытаться подойти к замыканию алициклического кольца и синтетически получить углеводороды, содержавшиеся в нефти. Эту задачу Зелинскому удалось разрешить блестяще. Он синтезировал свыше 25 различных циклоалканов и изучил на индивидуальных соединениях их свойства и характерные для них реакции.

Последующие исследования Зелинского были направлены на определение химических свойств углеводородов, разработку синтетических методов их получения. Они сыграли особую роль в последующей многолетней работе ученого по созданию методов переработки нефти и по нефтехимическому синтезу. Особое внимание Зелинского привлекали циклические нафтеновые углеводороды.

Один за другим в лаборатории Зелинского синтезировались циклоалканы.

В 1905 году на заседании отделения химии Русского физико-химического общества Николай Дмитриевич докладывает о получении метилциклогептана, а в 1906 — пропилциклогептана. Проходит еще один год, и ученый сообщает о синтезе девятичленного цикла. Еще через два года были получены циклы невиданных размеров — по 20 и 40 атомов углерода в кольце.

Работа по синтезу циклических углеводородов и их производных приобретала все больший размах. Зелинский ставит перед руководством университета вопрос о расширении лаборатории. По примеру своего предшественника В.В. Марковникова он принимает деятельное участие в проектировании, а затем и в строительстве нового помещения, которое закончилось в 1905 году.

Во время событий 1904–1905 годов Зелинский открыто поддержал революционное движение студенческой молодежи. Когда полиция, направленная для подавления студенческих волнений, ворвалась в аудиторию и напала на учащихся, Зелинский выступил в защиту студентов.

В 1911 году царское правительство вновь попыталось вмешаться в жизнь Московского университета. В знак протеста Зелинский вместе с группой прогрессивных профессоров покинул университет и переехал в Петербург. В Петербурге ему не удалось получить место профессора в высшем учебном заведении. Он вынужден был работать в примитивно оборудованной лаборатории Министерства финансов, лишенный своих преданных сотрудников. И, тем не менее, даже в таких условиях он сумел выполнить немало значительных работ.

Результаты исследований по катализу, проведенных Зелинским в годы перед первой мировой войной, заслуженно выдвинули его в число выдающихся ученых, работавших в области органической химии. Вклад Зелинского в развитие гетерогенного катализа заключается, прежде всего, в том, что он применил катализаторы в мелкораздробленном виде на веществах-носителях (асбест, уголь) и таким образом добился значительного увеличения их активной поверхности.

В 1911 году Зелинским при исследовании дегидрогенизации шестичленных циклов было открыто чрезвычайно интересное явление — необратимый катализ. В начале работ в этом направлении Николай Дмитриевич отмеченное явление называл «в высшей степени загадочным». Но последующие исследования показали общность описанного явления для всего класса соединений. Так был открыт дегидрогенизационный катализ — каталитические превращения насыщенных углеводородов, приводящие к образованию ненасыщенных соединений за счет отщепления водорода, ставший самостоятельным разделом каталитической химии и основой целой отрасли нефтепереработки.

Гидрогенизационный катализ был использован Зелинским для решения важнейшего вопроса — удаления серы из бензинов и керосинов. Эти вопросы имели огромное значение для переработки высокосернистой нефти. Дегидрогенизационный катализ позволил изменять содержание ароматики в бензинах (ароматизация нефти), что существенно повышало качество бензинов прямой гонки и давало возможность выделять индивидуальные ароматические углеводороды. Полученный таким способом бутадиен стал исходным сырьем для производства синтетического каучука.

Многогранные исследования по органическому катализу Зелинского вылились в самостоятельное направление науки и промышленности — биохимию и нефтехимию.

Прошло много лет со дня публикаций трудов Зелинского по органическому катализу, но они по-прежнему являются образцом эксперимента и научного предвидения. Совершенствование экспериментальной техники сегодня заставило пересмотреть ряд положений, выдвинутых Зелинским, но, тем не менее, органический катализ, как научное направление, связан по-прежнему с именем замечательного ученого.

Используя в качестве катализатора активированный уголь, Зелинский, совместно с инженером А. Кумантом, разработал в 1916 конструкцию знаменитого противогаза Зелинского-Куманта, принятого на вооружение в русской армии.

В 1917 году Николай Дмитриевич смог вернуться в Московский университет. В тяжелые годы гражданской войны в 1918–1919 годах Зелинский разработал метод получения бензина из солярового масла и мазута. Последующие работы Зелинского были связаны с получением топлива и переработкой нефти. В то же время он продолжал свои исследования, начатые ранее в Москве и Петербурге.

Научная работа Зелинского была необычайно многообразной. Он изучал протекание реакций под давлением, процессы полимеризации, синтез каучука и каталитические процессы превращения углеводородов, занимался решением практических вопросов нефтехимии и техникой поглощения газообразных отравляющих веществ, пришел к новым выводам о природе белковых веществ.

Значительным был вклад Зелинского в учение о происхождении нефти. Он доказал экспериментально, что органические вещества средней или высокой молекулярной массы при сравнительно низкой температуре могут превращаться в смесь различных углеводородов в присутствии хлористого алюминия как катализатора. На основании этого Зелинский предположил, что нефть образуется в природе, если органические вещества длительное время соприкасаются с глинами в присутствии микроорганизмов.

На основании положений органического катализа Зелинский провел исследования белков и пришел к логическому выводу, что гидролиз белков при пищеварении является каталитическим процессом. Тем самым он внес выдающийся вклад в изучение носителей живой материи — белковых веществ.

После Великой Октябрьской революции Зелинский стал одним из известнейших профессоров Московского университета. Число студентов, слушавших лекции Зелинского, постоянно росло, а руководимые им лаборатории и исследовательские отделы расширялись. Так, после переезда в 1934 году Академии наук из Ленинграда в Москву Зелинский провел огромную работу по созданию Института органической химии в системе Академии наук. Ныне этот институт носит его имя.

Рабочий день Зелинского был очень напряженным. С утра он читал лекции, проводил лабораторные занятия со студентами, давал многочисленные консультации заводским инженерам и работникам главков и наркоматов. Во второй половине дня Зелинского можно было увидеть за лабораторным столом, проводящим опыт или обсуждавшим с сотрудниками полученные результаты.

Интересы Николая Дмитриевича за пределами его научной и общественной деятельности отличались необыкновенной широтой и разнообразием. Он глубоко понимал и ценил литературу, музыку, театр. На его рабочем столе рядом с химическими журналами лежали томики Льва Толстого, Гоголя, Достоевского. Его любимыми композиторами были Бетховен, Чайковский, Рахманинов. Ученого нередко можно было видеть в театре, чаще всего во МХАТе.

После начала Великой Отечественной войны Зелинский с группой других ведущих ученых был эвакуирован в Северный Казахстан. В 1942 году Николай Дмитриевич предложил метод получения толуола на основе бензола и метана. В сентябре 1943 года он вернулся в Москву и приступил к своим многочисленным обязанностям в университете и Академии наук СССР.

Исследования в области спироцикланов, ароматических углеводородов, химии аминокислот и белка — вот круг его научных интересов в эти годы.

Осенью 1952 года здоровье Николая Дмитриевича резко ухудшилось, и 31 июня 1953 года его не стало.

Библиография: Избр. труды, т. 1-2, М. - Л., 1941; Собр. трудов, т. 1-4, М., 1954-1960.

О нем: Академик Николай Дмитриевич Зелинский. Девяностолетие со дня рождения. Сборник, М., 1952; Николай Дмитриевич Зелинский, М. - Л., 1946 (АН СССР. Материалы к биобиблиографии учёных СССР. Серия химических наук, вып. 1); Казанский Б.А., Несмеянов А.Н., Платэ А.Ф., Работы академика Н.Д. Зелинского и его школы в области химии углеводородов и органического катализа, "Уч. зап. МГУ", 1956, в. 175; Фигуровский Н.А., Очерк возникновения и развития угольного противогаза Н.Д. Зелинского, М., 1952; Платэ А.Ф., Николай Дмитриевич Зелинский, в кн.: Люди русской науки. Математика. - Механика. - Астрономия. - Физика. - Химия, М., 1961; Волков В.А. и др., Выдающиеся химики мира, М., 1991; Андрусев М.М., Табер А.М., Люди науки — Н.Д. Зелинский, 1984; Хайниг К., Биографии великих химиков, 1981.