Николай родился в семье Семёна Александровича Брянчанинова (младшего брата святителя) и его жены, урождённой Сомовой, которым принадлежало село Покровское (в настоящее время Грязовецкий район Вологодской области). Имел старшего брата Александра (который стал впоследствии губернатором Самарской губернии). После окончания гимназии в Вологде. В 1861 году поступил в Петербургский университет, откуда был вынужден уйти, когда учебное заведение закрыли из-за студенческих беспорядков.

23 января 1867 года Николай поступил на военную службу — юнкером в кавалергардский полк. Достаточно быстро сделал карьеру, был чиновником по особым поручениям при начальнике Главного штаба. Принял участие в русско-турецкой войне 1877—1878 годов, где заведовал эвакуацией на родину раненных и больных. В 1885 году уволен с военной службы в чине генерал-майора.

После демобилизации сперва служил в министерстве внутренних дел, был предводителем дворянского собрания Великолужского уезда Псковской губернии. С 1890 года — вице-губернатор Псковской губернии.

В 1873 году Николай женился на Наталье Алексеевой. В этом браке родились два сына Александр и Владимир и дочь Мария. В конце XIX века Николай построил на родовых землях в Островском уезде Псковской губернии усадьбу Старые Липы, которая считалась одной из самых больших в губернии.

16 февраля 1893 года назначен губернатором Рязанской губернии. Проявил себя эффективным администратором — организовал государственную торговлю леса, для чего была построена железная дорога на Спас-Клепики. Николай Семёнович приобретал активное участие в благоустройстве города. При нём были устроены тротуары и фонарное освещение улиц.

11 августа 1904 году назначен сенатором и получил ранг действительного тайного советника. На этой должности Николай Семёнович находился до самой своей смерти в 1915 году.