Николай Павлович е второто от осем деца в семейството на Христаки Павлович (1804-1848) – голям български книжовник, просветител и издател и Севаста. Първоначалното си образование завършва във взаимното училище на баща си в Свищов. Като дете получава увреждане на лявото око и до края на живота си работи сама с дясното. През 1852 г. с помощта на свои заможни роднини заминава за Виена, за да се обучава в литографско ателие. През есента на същата година се записва да следва във Виенската художествена академия. Учи там до края на учебната 1854/1855 г. Зимният семестър на 1856 г. е началото на обучението му в Художествената академия в Мюнхен. Записва т.нар. „античен клас“ при Йохан Георг Хилтеншпергер (1806-1890). Учи техника на живописта в класа на Херман Аншюц (1805-1880) до август 1858 г. По време на следването се ражда интереса му към историческата живопис, под влияние на Карл фон Пилоти и Петер фон Корнелиус. Пътува в Европа. Запознава се с колекциите на музеите в Дрезден, Прага. Важно моделиращо значение за творчеството му имат патетично-романтичните тенденции в живописта на германските живописци.
През 1860 г. Павлович създава първите в историята на българското изкуство литографии на историческа тематика, които в условията на създаването им в Османската империя и след това в младата българска държава имат изключително важна просветителска, патриотична и възпитателна роля. По време на пътувания до Одеса, Белград, Цариград създава серии алегорични сюжети, отразяващи важни моменти от средновековната и съвременна българска история, за които той сам издирва и събира богат изворов материал.
Николай Павлович пръв сред българската интелигенция (през 1861 г.) предлага идеята за създаване на учебно заведение по изкуствата в българските земи. През 1861 г. Павлович се завръща в България и работи последователно в Трявна, Търново, Русе, Стара Загора и Свищов. През 1867 г. той публикува и първия документ – Програма за създаване и устройство на „Заведение за живопис“. Като модел за написване на програмата използва системата на обучение в академиите в Мюнхен и Виена. След установяването си в София работи като училищен инспектор и чрез изкуството продължава просветителската си дейност. Заедно с историческите композиции твори в областта на църковната стенопис и иконопис, в които под влияние на западноевропейската живопис внася обновление. Голяма част от неговите идеи изпреварват времето и остават неразбрани. Павлович е първият български художник с академично образование. Той иска да реформира изкуството в българските земи. Рисува икони и портрети. Изпълнява поръчки за украса на църкви и изработва иконостаси. Той прави голяма крачка от традиционната религиозна живопис към светското изкуство, с неговите реалистични принципи на изобразяване. Родоначалник е на историческия жанр в българската живопис. Изключителен патриот и родолюбец, с прогресивното си мислене, Павлович изпреварва времето си. Той превръща изкуството си в част от процеса на духовно израстване на българската нация през втората половина на деветнадесети век.