Родился в семье служащего Нижегородского ярмарочного управления. В 1916 г. окончил Санкт-Петербургский институт инженеров путей сообщения и был направлен в Забайкальский округ для строительства стратегических железных дорог. В 1921-31 работал в Госплане СССР, где занимался экономическим районированием, разработкой схем изучения и освоения ресурсов Сибири и Дальнего Востока (Урало-Кузнецкий комбинат, Транссибирская сверхмагистраль, Ангарострой, очаговое освоение Севера). В 1931-36 Колосовский работал в институте Гидроэнергопроект, где разрабатывал проект создания Ангаростроя, в частности его первой очереди — т. н. Байкальско-Черемховского энерго-промышленного комплекса. В 1936-46гг. работал в структурах АН СССР, в частности в СОПСе. Во время войны руководил развертыванием военной промышленности на Урале, решением связанных с этим транспортных проблем. Лауреат Сталинской премии (1942).
После окончания войны Колосовский сосредоточился на преподавании, был профессором Географического факультета МГУ, где читал лекции с 1931. Ранее преподавал в Институте народного хозяйства им. Плеханова. Им были создан авторский курс лекций по экономическому районированию, разработан понятийный аппарат советской районной школы экономической географии. Н. Н. Колосовский ввел в научную практику такие понятия как энерго-производственный цикл (совокупность производств, объединенных связями по сырью и энергии), территориально-производственный комплекс (совокупность производств, от размещения которых на одной площадке достигается дополнительный экономический эффект), разрабатывал теорию экономического районирования Автор таких понятий как ТПК (территориально-производственный комплекс) и ЭПЦ (энерго-производственный цикл). ТПК - экономически взаимообусловленное сочетание предприятий в отдельной промышленной точке или в целом районе, при котором достигается определенный экономический эффект за счет планового подбора предприятий. ЭПЦ - типически устойчиво существующая совокупность производственных процессов, возникающих взаимообусловленно вокруг основного процесса для данного вида сырья и энергии.