Николай Леонтьевич Бенуа родился 1 июля 1813 года в Санкт-Петербурге в семье придворного метрдотеля Луи Жюля Бенуа. Его крёстной матерью была императрица Мария Фёдоровна. Начальное образование Николай получил в петропавловской школе ("Петершуле"). В четырнадцать лет он поступил в Академию художеств. Его выпускной работой в Академии был проект Училища правоведения, за который 27 сентября 1836 года Николай Бенуа получил Большую золотую медаль, был награждён шпагой и правом на заграничную поездку для продолжения обучения.
Перед поездкой за границу Николай Бенуа должен был пройти строительную практику. Её он проходил в качестве чертёжника у архитектора К. А. Тона. Николай Бенуа участвовал в строительстве церкви лейб-гвардии Семёновского полка в Санкт-Петербурге, храма Христа Спасителя в Москве.
В июне 1840 года молодой архитектор выехал за границу, где посетил Италию, Германию, Австрию, Швейцарию, Францию и Англию. В Санкт-Петербург он вернулся в 1846 году, сразу же был зачислен на службу в Кабинет Его Императорского Величества. В 1847 году Бенуа получил звание академика.
Первое крупное сооружение Николая Бенуа - готические конюшни в Петергофе, построенные по личному заказу Николая I. За эту работу ему был вручён орден Станислава четвёртой степени. В 1850 году его назначили главным архитектором при Петергофском дворцовом правлении. Тогда же он приступил к строительству фрейлинских корпусов близ Большого петергофского дворца. Им же было построено здание петергофского вокзала, ставшее первым вокзалом в России, построенном в готическом стиле. Одновременно с этим вокзалом, Бенуа построил вокзальные павильоны на станциях в Стрельне, Сергиево и Красном Селе. Вместе с А. К. Кавосом Николай Бенуа построил здание почты, решённое также в готическом стиле. Кроме того, в Петергофе архитектором были построены часовня на Торговой площади, официантский дом, придворный госпиталь и богадельня.
В 1857 году Николай Леонтьевич Бенуа получил звание профессора Академии художеств. В 1859-1960 годах по его проекту была проведена капитальная реконструкция Большого грота и каскада, Самсоновского ковша и канала, фонтанов восточной части Нижнего парка, Марлинского каскада. В 1857 году архитектор завершил свою работу, связанную с Петергофом.
В 1863 году Николай Бенуа был назначен главным архитектором императорских театров, сменив на этом посту А. К. Кавоса. Первой работой зодчего на этой должности стал театр в Гельсингфорсе (ныне Хельсинки). С его же участием перестраивался Александринский театр, строился Мариинский театр, был построен летний деревянный театр в Павловске.
Во время правления Александра II к архитектору стало приходить всё меньше государственных заказов. Новый император вёл более экономную деятельность. В это время Николай Бенуа начал работать над частными заказами. Для Шереметевых зодчим был построен новый дворовой флигель Шереметевского дворца на Фонтанке. По его проекту были построены дом князя Касаткина-Ростовского (наб. р. Мойки, 84), дом Шульца на Литейном проспекте, дом Кребера на углу улиц Рылеева и Маяковского (тогда - Спасской и Надеждинской соответственно), ферма в усадьбе Ульянка на Петергофском шоссе, дом Общества поземельного кредита на Адмиралтейской набережной (совместно с А. И. Кракау), арестный дом в Александроневской части (совместно с А. Р. Гешвендом).
Из-за сократившегося объёма заказов у Николая Бенуа появилась возможность заняться активной общественной деятельностью. В 1868 году он предложил свою кандидатуру в гласные Городской думы, и с тех пор избирался туда каждые четыре года. Вскоре он стал членом Городской строительной комиссии, позже ставшей Городской управой. В апреле 1873 года он стал заведующим её строительной частью. Через Бенуа проходили все городские проекты. В 1890-1893 годах зодчий был председателем Санкт-Петербургского общества архитекторов.
Николай Леонтьевич Бенуа умер 11 декабря 1898 года. Его похоронили на римско-католическом кладбище Выборгской стороны, в им же построенной церкви святой Марии. Николай Леонтьевич Бенуа стал родоначальником творческой династии Бенуа, из которой вышли известные художники, архитекторы и искусствоведы.
