Его мать была батрачкой и своего внебрачного сына при крещении записали Богдановым – «богом данным». Приставку Бельский художник взял позже, в память о родном уезде.
Раннее детство у мальчика было нелегким – матери приходилось жить в доме брата, где её с ребёнком терпели лишь из милости. Священник, преподававший в церковно-приходской школе, которую посещал мальчик, обратил внимание на его одарённость. Он содействовал переводу Коли в село Татево, где в 1872 году была создана первая в России сельская школа с общежитием для крестьянских детей. Построил её выдающийся российский ученый, педагог и просветитель Сергей Рачинский. Оставив кафедру Московского университета, он сам занимался учительством в своей школе, принимая в нее обездоленных ребят.
Чтобы попасть в школу Рачинского, маленькому Коле пришлось выдержать экзамен, и мальчик мастерски справился с задачей. Он нарисовал в профиль одного из преподавателей, проявив свой дар. В наши дни в селе Татеве есть музей, открытый в память об этом талантливом художнике, который в те далекие годы сделал первый шаг к успеху на творческом поприще.
В 1882 году Рачинский отдал Николая Богданова в иконописную мастерскую Троице-Сергиевой лавры. Спустя два года юношу приняли в Московское училище живописи, ваяния и зодчества (МУЖВЗ), где его наставниками стали Владимир Маковский, Василий Поленов и Илларион Прянишников.
В годы учебы юный живописец создал картину «Будущий инок» в 1889 году, за которую был награждён большой серебряной медалью и получил звание классного художника. Через несколько лет картину, находившуюся у коллекционеров, приобрела императрица Мария Федоровна.
В период 1894-1895 годов Богданов-Бельский обучался в Императорской Академии художеств, посещая класс Ильи Репина, а позже отправился в Париж. Кроме Франции, художник жил и трудился в Германии и Италии, перенимая мастерство Филиппо Коларосси и Фернана Кормона. Окончив Академию художеств в 1903 году, уже спустя два года Богданов-Бельский получил звание академика. В 1914 году художника приняли в действительные члены Академии.
Богданов-Бельский принимал активное участие в деятельности общества художников-передвижников, а также стоял у истоков создания творческого объединения имени Архипа Куинджи.
После революции 1917 года художник уехал сначала в Петроград, а оттуда в Латвию, где стал почетным членом студенческой корпорации Fraternitas Arctica. В тот период Богданов-Бельский проводит персональные выставки, которые проходят с большим успехом. Воодушевившись, он с увлечением работает над циклом картин «Дети Леттгаллии». Путешествуя по Латвии, создает пейзажи. В Рижском городском художественном музее его картины также будут выставляться на персональных экспозициях в 1923,1936 и 1940 годах.
В последующие годы картины Богданова-Бельского не раз экспонируются на выставках русского изобразительного искусства за рубежом, где неизменно вызывают большой интерес. В 1920-е годы творения художника, наряду с полотнами Бориса Кустодиева, Михаила Нестерова, Василия Поленова и других выдающихся российских живописцев увидели в Европе и США. Картины Богданова-Бельского с того времени вошли в коллекции многих заграничных музеев, и интерес коллекционеров к его творчеству не утихает и по сей день.
В 1936 году, отмечая пятидесятилетие творческой жизни, художник находился на пике славы. Он по-прежнему много и целеустремленно трудился. Весной 1941 года Богданов-Бельский отправляет на выставку в Москву картину «Пастушок Прошка». Но начавшаяся война перечеркнула все творческие планы художника. Не имея ни источников вдохновения, ни возможности творить, он тяжело заболевает. Супруга художника вывозит его в Берлин, где врачи проводят операцию. Однако состояние художника продолжает ухудшаться.
Николай Богданов-Бельский скончался 19 февраля 1945 года в Берлине, во время очередной бомбардировки города. Похоронили живописца на русском православном кладбище Тегель.