Николая Михайловича называли «самым культурным и самым умным из всей царской фамилии». Он был автором многих исторических трудов, посвященных эпохе Александра I и наполеоновских войн. Был председателем Русского Исторического общества, в 1915 году по решению Совета Московского университета получил степень доктора русской истории honoris causa.
Возглавлял также Русское Географическое общество, Общество защиты и сохранения памятников искусства и старины, в 1913 году был избран почётным председателем Общества друзей Румянцевского музея. Известен как строитель Боржомского дворца и составитель уникального иллюстрированного каталога «Русские портреты XVIII и XIX столетий».
9 января 1919 г. Президиум ВЧК вынес постановление «Приговор ВЧК к лицам, бывшей императорской своры — утвердить, сообщив об этом в ЦИК». Несмотря на ходатайства Академии наук и Максима Горького, Ленин подтвердил приговор с формулировкой «революция не нуждается в историках».
Николай Михайлович был расстрелян большевиками в Петропавловской крепости вместе с ещё тремя великими князьями — своим родным братом Георгием Михайловичем и двоюродными — Павлом Александровичем и Дмитрием Константиновичем. По легенде, перед смертью великий князь снял сапоги и бросил их солдатам со словами: «Носите, ребята, все-таки царские...»