Николай Фёдорович Анненский родился в Санкт-Петербурге в 1843 году в семье чиновника николаевской и александровской эпох Фёдора Николаевича Анненского (1815 — 27 марта 1880 года) и Наталии Петровны Анненской (умерла 25 октября 1889 года).
Согласно семейному преданию, отражённому в воспоминаниях С. Я. Елпатьевского об Н. Ф. Анненском, мать братьев Анненских, урождённая Карамолина (или Кармалина), вероятно, происходила из рода Ганнибалов, поскольку её мать была замужем за одним из сыновей Абрама Ганнибала.
В 1849 году семья переехала в Омск, где отец получил место советника и начальника отделения Главного управления Западной Сибири. Николай учился в Омском кадетском корпусе, который окончил в 1860 году. Служба его началась годом раньше в томской губернской канцелярии в качестве писца. Вернувшись в 1860 году в Петербург, где отец занял место чиновника по особым поручениям в Министерстве внутренних дел, и нарушив волю отца, желавшего Николаю продолжения служебной карьеры, он начал посещать лекции в Петербургском университете вольнослушателем.
В 1865 году он сдал экзамен на гимназический аттестат. В следующем году Николай женился на сестре П. Н. Ткачёва Александре Никитичне (1840 — 1915), (в дальнейшем педагог, детская писательница и мемуаристка) и получил место корректора в «Журнале министерства народного просвещения». С 1867 года по 1873 год он являлся также чиновником Государственного контроля.
Разойдясь идейно с отцом, пустившимся в биржевые спекуляции, разорявшие семью и приведшие, в конце концов, к его отставке в 1874 году, Николай сближается с кругом революционной молодёжи, в первую очередь с Петром Ткачёвым. Он начинает принимать участие в народническом движении. Анненский был в числе участников «Общества трезвых философов» — кружка представителей народнической интеллигенции. В 1868 году Николай Фёдорович держал кандидатский экзамен на юридическом факультете Петербургского университета и стал кандидатом права. В этом же году началась его журналистская деятельность (переводы «Истории цивилизации в Германии», Шерра; «Роль общественного мнения в государственной жизни», Гольцендорфа). В следующем году Анненский был арестован за связь с Ткачёвым, но освобождён за недостатком улик. Он выступал на процессе С. Г. Нечаева в качестве свидетеля со стороны защиты.
В начале 70-х годов Анненский сближается с кругом «Отечественных записок», но печататься там начинает лишь в конце 70-х годов. На квартире поэта А. А. Ольхина («Ольхинский клуб») он познакомился с Н. К. Михайловским, оказавшим значительное влияние на мировоззрение Анненского и определившим его журналистское призвание, и с Глебом Успенским.
В 1900 году Анненский сформулировал предпосылки и источники своего мировоззрения: крестьянская реформа, университетская наука и журналистика (некрасовский «Современник»). В 1873 году Анненский сдаёт экзамен по филологическому факультету Киевского университета на кандидата историко-филологических наук. Тогда же он начал работу статистика в Министерстве путей сообщения (работал по 1880 год), представлял Россию на международных конгрессах статистиков в Будапеште (1877 год) и в Риме (1878 год). До этого в 1875 году он присутствовал на заседании Юрской секции анархистского Интернационала.
По свидетельству жены Н. Ф. Анненского — А. П. Анненской, — много статей в подпольных изданиях «Земли и воли» и «Народной воли» «обсуждались и составлялись при его участии», и по сведениям В. Г. Короленко, в конце 70-х гг. литературное имя Николая Анненского получило «почётную известность» среди литераторов и журналистов.
После выстрела А. К. Соловьёва в Александра II Анненский был вторично арестован в июне 1879 года, однако вскоре был выпущен под залог в 10 тысяч рублей. По сведениям жены, сам Анненский был противником террора, уповая на долговременную пропаганду среди народа социалистических идей.
В феврале 1880 года он вновь арестовывается по приказу М. Т. Лорис-Меликова за свою политическую неблагонадёжность. В Вышневолоцкой тюрьме Анненский познакомился с В. Г. Короленко, дружеские отношения с которым сохранил до последних дней. В мае 1880 года он был препровождён по этапу в Западную Сибирь, в г. Тару, Тобольской губернии, где пробыл до конца февраля 1881 года. После этого он поселился в Свияжске, а затем в Казани.
Помимо «Отечественных записок» («Экскурсии дельцов в область научных интересов») радикальный журналист много публикуется в «Деле» («Очерки новых направлений в экономической науке»), «Вестнике Европы», в «Волжском вестнике».
С 1883 года Анненский возглавлял статистическую работу казанского губернского земства. Здесь он организовал экспедицию для исследования территорий, пострадавших от неурожаев более всего. Дано оценочное состояние 4 уездов. В оценочных работах делался акцент на детальном учёте землевладения и обосновании определения урожайности в зависимости от почв и удобрений.
Успешная статистическая деятельность Анненского вызвала интерес его коллег в Нижегородской губернии. В конце декабря 1886 года его приглашают возглавить Оценочно-статистическое бюро Нижегородского земства для подробного поуездного изучения экономического состояния губернии. Цель создания этого органа заключалась в формировании наиболее равномерной и справедливой раскладки земских сборов.
В 1887 году он переехал в Нижний Новгород и до 1895 года руководил статитстическим отделением нижегородского губернского земства, придав местной статистике практически-народническое направление. По инициативе Анненского в 1887—1890 годах был проведён детальный анализ доходности всех земельных угодий Нижегородской губернии. Одновременно была проведена тщательная подворная перепись крестьян, собрана информация о состоянии подсобных промыслов, грамотности населения.
Анненский стал создателем метода оценки земель, учитывавшим состояние почв совместно с экономическими факторами, этому способствовала его совместная работа с выдающимся почвоведом Н. М. Сибирцевым. Как рассказывал позднее И. А. Бунин, в Харькове среди местной радикальной интеллигенции пользовался славой «знаменитый статистик Анненский, имя которого произносилось с неизменным восхищением».
Причины известности Анненского крылись в том, что в Нижегородской губернии постановка статистических работ была доведена до такого высокого уровня, при котором силами местной статистики оказалось возможным предсказать потери от надвигающегося неурожая, организовать предварительный закуп дешёвого зерна и тем самым приглушить последствия неурожая 1891 года. Николай Фёдорович принимал участие в подготовке статистических сборников по Казанской губернии, «Материалов к оценке земель Нижегородской губернии. Экономическая часть». (Нижний Новгород, 1888—1900).
Н. Ф. Анненский организовал целую школу нижегородской земской статистики. Под его руководством сформировался круг талантливых статистиков-нижегородцев (О. Э. Шмидт, Н. М. Кисляков, М. А. Плотников, Н. И. Дрягин, Д. В. Константинов). Он инициировал обмен информацией с местными жителями из числа грамотных крестьян и священников с целью получения предварительной информации о состоянии будущих урожаев.
В Нижнем Новгороде Анненский возобновил знакомство с В. Г. Короленко. Вдвоём они стали неким притягательным культурным центром для разрозненных кружков местной интеллигенции. В 1892—1893 годах Анненский вместе с Короленко принимают деятельное участие в борьбе с голодом. «Новые Минин и Пожарский из Нижнего», как в шутку их называли коллеги-журналисты, выступили в журнале «Русская мысль» в 1892—1893 годах с циклом заметок «Текущая жизнь» под совместным псевдонимом Провинциальный наблюдатель. Помимо «Русской мысли» Анненский публикуется также в «Русских ведомостях».
Наряду с В. Г. Короленко и Н. К. Михайловским Анненский был в числе инициаторов нелегального совещания партии «Народное право» в Саратове в июне 1893 года.
В 1894 году Н. К. Михайловский пригласил Анненского и Короленко принять участие в журнале народников «Русское богатство». Они по-прежнему выступали вдвоём под совместным псевдонимом О. Б.А., (цикл «Случайные заметки»), а также самостоятельно. Анненский вёл в журнале с 1894 года «Хронику внутренней жизни», библиографию. В эти годы он уже именитый представитель либерального народничества и весьма деятельный член редакции журнала.
После смерти Михайловского в 1904 году Анненский возглавил литературный комитет (председатель редакционной коллегии) «Русского богатства». Им написан «Краткий исторический очерк товарищества по изданию „Русского богатства“». Многолетний сотрудник журнала и один из членов его литературного комитета П. Ф. Якубович называл его «незаменимым цементом в журнале» (письмо к Короленко от 4 февраля 1909 — ГБЛ). Анненский «связывал нас с широким литературным миром» по характеристике ещё одного авторитетного сотрудника журнала А. В. Пешехонова (письмо Короленко от 10 октября 1912 — ГБЛ).
Редакционно-журналистская деятельность в журнале потребовала переезда Анненского в столицу, он стал возможен в 1895 году. Окончательно же он покинул Нижний Новгород в марте 1896 года. Однако публицистическая деятельность продолжалось параллельно с прежней работой в качестве статистика. В 1896—1900 годах он возглавлял статистический отдел Петербургской городской управы, принял участие в подготовке «Статистического ежегодника Санкт-Петербурга» (1898—1900).
После переезда в Петербург начинается самый кипучий и плодотворный период деятельности Н. Ф. Анненского. Он принимал участие во Всероссийской переписи населения 1897 года, участвовал в двухтомном сборнике «Влияние урожаев и хлебных цен на некоторые стороны русского народного хозяйства», составленном по поручению министерства финансов народническими и либеральными экономистами под редакцией профессоров А. И. Чупрова и А. С. Посникова (Санкт-Петербург, 1897).
Анненский — постоянный член всевозможных оппозиционных организаций и обществ, очень много сделавший для комитета Литературного фонда, комитета Союза взаимопомощи русских писателей (1897—1901), председателем которого он состоял. Он участвовал в третейских судах и суде чести по литературным делам, состоял председателем первого Всероссийского съезда писателей в 1905 году, на котором был образован независимый Союз писателей, не утверждённый правительством, был у истоков Санкт-Петербургского литературного общества (1907 год).
Николай Фёдорович состоял регулярным членом совета Вольно-экономического общества с 1895 года, 4 декабря 1899 года он был избран председателем III отделения Вольно-экономического общества (сельскохозяйственной экономии и статистики). В 1904 году он стал председателем комиссии по крестьянскому вопросу, числившейся при III отделении общества. 19 апреля 1906 года Н. Ф. Анненский был избран вице-президентом общества и состоял в этой должности до 2 мая 1909 года. В последние годы его жизни общество утвердило его своим почётным членом.
Николай Анненский, будучи яркой личностью, обладал живой, отзывчивой натурой и замечательным красноречием, оказывая огромное влияние на всех тех, кто обращался к его содействию в области статистики и литературы. Он в гуще событий во время студенческих волнений начала 1900-х годов, на похоронах Н. К. Михайловского. Во время демонстрации у Казанского собора. 4 марта 1901 года Анненский стал «грудью между молодёжью и казаками», а «когда его старого, избитого, с лицом неузнаваемо опухшим и покрытым синяками, привели домой, — для него это было предметом весёлых шуток» (Короленко — ГБЛ, ф. 135. I, д. 720, л. 21).
По характеристике С. Я. Елпатьевского Анненский был «прирождённым лидером» — выразителем «и протеста, и гнева, и веселья» (Елпатьевский — «Русское богатство», 1912, № 10, с. 370-71). В 1903—1905 годы он один из руководителей либерального «Союза освобождения». Он был причастен к так называемой Кулинарной комиссии, собиравшей под видом товарищеских ужинов членов распущенного правительством Союза писателей. Во время революционных событий 1905 года он с большим успехом выступал на всевозможных агитационных митингах.
Его деятельность не осталась обойдённой вниманием правительства. В качестве инициатора письма-протеста 44 литераторов он был на год выслан из Петербурга и уехал в Финляндию. В феврале 1904 года Анненский был арестован по случаю похорон Н. К. Михайловского и вновь принуждён оставить Петербург, жить в Ревеле до осени 1904 года. В январе 1905 года он вновь подвергнут аресту за участие наряду с другими литераторами в писательской депутации, возглавляемой Максимом Горьким к С. Ю. Витте и П. Д. Святополк-Мирскому, 8 января он посажен на три недели в Трубецкой бастион Петропавловской крепости.
В 1905 году Анненский принял участие в качестве представителя группы «Русского богатства» в съезде партии социалистов-революционеров, но поскольку позиция эсеров показалась Анненскому чересчур радикальной, в саму партию он не вошёл. Вместо этого совместно с А. В. Пешехоновым и В. А. Мякотиным в 1906 году он принял участие в организации партии «Народных социалистов», иначе говоря Трудовой народно-социалистической партии, так называемых «энесов» или просто «трудовиков». Тем самым правое крыло эсеров было лишено части избирателей. Аграрная программа партии (национализация земли) заинтересовала в своё время В. И. Ленина.
В 1906 году Анненский стал членом Шлиссельбургского комитета, чьи обращения совместно с В. И. Семевским и В. Я. Богучарским он публиковал в журнале «Былое», и членом редакции «Галереи шлиссельбургских узников», где поместил статью о В. А. Долгушине. В «ЭСБЕ» он напечател статью, посвящённую своему шурину П. Н. Ткачёву, а в «Юбилейном сборнике литературного фонда» разместил воспоминания об Н. К. Михайловском. В «Великой реформе» напечатана его работа об Н. Г. Чернышевском.
В последние годы жизни из-за болезни Анненский полностью отошёл от политической работы. В марте 1912 года он был председателем на международной конференции в Ницце, посвящённой 100-летней годовщине А. И. Герцена и произнёс свою последнюю речь. Умер Николай Фёдорович 26 июля вблизи Куоккалы и похоронен в Петербурге. Большевики в связи со смертью Анненского в некрологе «Правды» высказали «своё искреннее соболезнование» «Русскому богатству», назвав Анненского «одним из стойких представителей честной демократической мысли» (1912, 27 и 29 июля).
Младший брат Николая Иннокентий Анненский, признанный поэт-символист и знаток античности, в молодости испытал на себе огромное положительное влияние старшего брата и его жены, о чём рассказал в своей автобиографии («всецело обязан интеллигентным бытием»). Николай готовил Иннокентия к поступлению в университет и в ранние годы его жизни опекал его. При жизни Николая окружали слава и признание, в то время как творчество Иннокентия оставалось практически безвестным читателю. Ныне же разнообразная конструктивная и продуктивная деятельность Николая, подчинённая преимущественно интересам политической целесообразности и идеологически детерминированная, прочно забыты.