Дед: Абрам Корнеевич Крыленков.
Отец: Василий Абрамович Крыленков.
Мать: Ольга Александровна.
В 1890 г. вместе с семьёй переехал в Смоленск, где отец Крыленко редактировал газету «Смоленский вестник» оппозиционного направления. В 1902 г. семья переехала в Кельцы, а затем Люблин, где отец получил должность акцизного чиновника.
В 1895 году поступил в классическую гимназию в Люблине, которую окончил в 1903 г. Осенью 1903 г. поступил на историко-филологический факультет Петербургского университета. Участвовал в студенческих собраниях и уличных демонстрациях. Член партии большевиков с декабря 1904 года.
В апреле 1905 скрываясь от грозившего ареста выехал из Петербурга домой и вернулся в университет только к августу 1905 г. В это время учёба в университете фактически остановилась, сменившись политическими митингами внутри университета.
Крыленко председательствовал на митинге, состоявшемся 13 октября в Технологическом институте, где Хрусталев-Носарь впервые предложил образовать совет рабочих депутатов. Вел агитацию в рабочих районах Петербурга.
В феврале 1906 года во время выборов в первую Думу работал в качестве агитатора большевиков, которые призывали бойкотировать выборы. Сотрудничал в «Призыве» и «Волне».
С 1906 — нелегал, был агитатором московского комитета РСДРП(б). В июне 1906 г. уехал за границу в Бельгию и Францию, откуда в ноябре 1906 г. вернулся в Петербург, где работал под фамилиями «Рено», «Гурняк», «Абрамов». 5 июня 1907 года арестован в Петербурге на заводе Крейтона под фамилией «Постникова». Был предан военно-окружному суду по обвинению в участии в военной организации. Всего по этому процессу обвинялось 19 человек, из них трое (Крыленко, Кирнос и Зеленко) 16 сентября 1907 г. были оправданы судом. После освобождения немедленно уехал в Финляндию, снова принял участие в партийной работе, был снова арестован на Финляндском вокзале и, отсидев месяц в тюрьме, 6 декабря 1907 г. был освобожден и выслан на родину в Люблин.
В это время Крыленко отошел от партийной деятельности. В 1909 он написал брошюру «В поисках ортодоксии» в которой теоретически рвал с социал-демократией, оценённую в 1937 партийным руководством как «имеющую синдикалистский уклон». Весной 1909 г. Крыленко сдал экзамены и получил диплом об окончании университета. Работал преподавателем литературы и истории в частных польских школах в Люблине и Сосновицах.
С 1911 работал в большевистской газете «Звезда», затем перешел в «Правду». Весной 1911 года был вызван в австрийскую Галицию к Ленину, жившему тогда в Кракове.
В 1912—1913 годах отбывал воинскую повинность вольноопределяющимся в 69-м Рязанском полку.
Был прикомандирован партией к социал-демократической думской фракции. 11 декабря 1913 очередной раз арестован и выслан из Санкт-Петербурга на два года в Харьков. В июле 1914 эмигрировал в Австрию, оттуда в Швейцарию. Участвовал в Бернской партийной конференции в марте 1915.
В июне 1915 вместе с женой Еленой Розмирович отправлен в Москву на нелегальную работу. По возвращении в Москву в ноябре 1915 вновь арестован. Как уклоняющийся от службы офицер был отправлен в Харьков где просидел в тюрьме до апреля 1916 г., когда был мобилизован и отправлен в действующую армию с «сопроводительной», в которой предполагалось принять меры против пропаганды с его стороны. Крыленко был присвоен чин прапорщика, он был офицером службы связи в 13-м Финляндском стрелковом полку 11-й армии Юго-Западного фронта.
После Февральской революции начал агитацию среди солдат. Распространял газету «Правда». Был избран председателем сначала полкового, затем дивизионного и армейского комитета 11-й армии. Вел большевистскую агитацию в войсках Юго-Западного фронта. 3 мая 1917 был делегирован в Петроград, где выступал на собраниях Петроградского совета и съезда фронтовиков, где призывал к прекращению войны.
Вернувшись на фронт вошел в конфликт с большинством армейского комитета и сложил обязанности председателя. Как представитель РСДРП выступал на общефронтовом съезде в Кременце. Как представитель меньшинства делегирован от армейского комитета на I Всероссийский съезд Советов.
В июльские дни был в Киеве. Был арестован в Могилёве в июле 1917, препровожден в Киев, где против Крыленко было возбуждено дело по обвинению в государственной измене. Освобожден в сентябре 1917 по приказу военного министра Верховского. Сентябрь и октябрь провел в работе по подготовке Октябрьской революции.
8 ноября 1917 г. Крыленко вошел в первый состав Совнаркома в качестве члена Комитета по делам военным и морским (вместе с В. А. Антоновым-Овсеенко и П. Е. Дыбенко).
12 ноября 1917 г. Крыленко был назначен Верховным Главнокомандующим. Большевистский Главковерх отдал приказ всем частям прекратить сопротивление и самостоятельно начать переговоры с немцами. Он сам на следующий день начал такие переговоры, вскоре завершившиеся перемирием. 20 ноября Крыленко с отрядом революционных сил прибыл в Могилёв, где отстранил от должности генерала Н. Н. Духонина, исполнявшего обязанности Верховного Главнокомандующего. Духонин был арестован и на автомобиле привезён на железнодорожный вокзал, где его отвели в вагон Крыленко. Однако по городу распространились слухи, что генерал Корнилов со своим полком идет на Могилев. У поезда собралась толпа революционных солдат и матросов, требующая выдать Духонина. Крыленко прибыл к вагону и попытался остановить толпу, но уговоры не подействовали. Духонин был убит.
Проживал в Москве по адресу Новинский бульвар, дом 25, кв. 46 (Дом Наркомфина).
Увлекался альпинизмом и шахматами, руководил соответствующими спортивными обществами, в 1924—1938 годах редактировал шахматный журнал и впоследствии газету «64». Возглавлял шахматную организацию СССР, инициатор трёх международных турниров в Москве (1925, 1935, 1936).
Николай Васильевич был также эсперантистом и носил на груди зелёную звезду. В этой связи в эсперантской среде распространена легенда о происхождении советской красной звезды: якобы Троцкому понравилась эсперантская звезда, которую он увидел у Крыленко, и он решил использовать её, перекрасив в красный цвет — цвет советской власти.
В 1938 г. на первой сессии Верховного Совета СССР Н. В. Крыленко подвергся критике, формально — за то, что тратил слишком много времени на альпинизм, когда другие работают. Вскоре после этого снят со всех постов, исключён из ВКП(б) и арестован. Расстрелян 29 июля 1938 г. по приговору ВКВС. Захоронен на полигоне «Коммунарка». В 1956 г. реабилитирован за отсутствием состава преступления.
Советский военачальник, участник Октябрьской революции Василий Васильев приводит о Крыленко следующие воспоминания: