Родился 4 ноября 1876 года в деревне Парфенки Московской губернии. В 1899 году окончил историко-филологический факультет Московского университета, где специализировался на древнерусской литературе и языкознании. В дальнейшем преподавал в Московском и Харьковском университетах, занимался исследованием истории русского языка и его диалектов.

В 1901 году вместе с единомышленниками организовал кружок по изучению истории и диалектологии русского языка, который впоследствии стал основой Московской диалектологической комиссии. В 1916 году защитил магистерскую диссертацию, а в 1918 году получил степень доктора наук.

В 1924 году Николай Николаевич был избран членом-корреспондентом Российской академии наук. В конце 1927 года переехал в Минск, где работал в Институте белорусской культуры и Белорусской академии наук, преподавал в Белорусском государственном университете. В 1928 году стал академиком Белорусской академии наук.

Научные интересы Дурново охватывали историю русского, украинского, белорусского и других славянских языков. Совместно с Дмитрием Ушаковым и Николаем Соколовым он участвовал в создании диалектологической карты русского языка. Его классификация русских диалектов получила широкое признание. В 1924 году учёный издал «Грамматический словарь» - один из первых отечественных словарей лингвистических терминов.

В конце 1929 года был уволен из университета и лишён звания академика. В декабре 1933 года Николай Николаевич был арестован по так называемому «делу славистов». В 1934 году его приговорили к десяти годам лагерей и отправили на Соловки. 9 октября 1937 года особая тройка УНКВД вынесла ему смертный приговор. 27 октября 1937 года учёный был расстрелян в Карелии, неподалёку от Медвежьегорска.

В 1964 и 1967 годах Николай Николаевич Дурново был реабилитирован по приговорам 1934 и 1937 годов. В 1978 году восстановлен в звании академика Академии наук БССР, а в 1990 году - в звании члена-корреспондента АН СССР.

Научное наследие Николая Дурново занимает важное место в истории отечественного языкознания. Его исследования внесли значительный вклад в развитие диалектологии, лингвистической географии и изучение славянских языков.