Родился в семье священника, обучался в Санкт-Петербургской духовной академии. В 1880 году защитил в ней магистерскую диссертацию по теме «Происхождение древнехристианской базилики», а в 1892 году докторскую по теме «Евангелие в памятниках иконографии, преимущественно византийских и русских». Был профессором по кафедре церковной археологии и литургики, а также инспектором академии. В 1898 году стал директором Императорского Санкт-Петербургского археологического института.
Основными вопросами научной деятельности Н. Покровского были церковная археология и древнехристианское искусство. Он одним из первых в русской науке при изучении византийско-русского и древнехристианского искусства обратил внимание на отношение искусства к учению церкви и текстам литургии и внёс в науку богатые материалы православно-восточного происхождения, восполнив этим западные исследования.
В 1900—1901 годы был членом-учредителем монархической организации Русское собрание. Был избран в первый состав Совета данной организации, но отказался по причине занятости научно-административными обязанностями.