С 1893 по 1953 гг. - профессор Московского университета, кроме периода 1911-1917 гг., когда покинул университет в знак протеста против реакционной политики царизма по отношению к высшей школе (в эти годы был директором Центральной лаборатории министерства финансов и заведующим кафедрой Петербургского политехнического института).

В 1935 г. Николай Зелинский стал одним из организаторов Института органической химии АН СССР, в котором затем руководил рядом лабораторий (с 1953 г. институт носит его имя).

Основным направлением разносторонней научной деятельности Николая Зелинского было исследование химии углеводородов, решение проблемы катализа органических соединений. Фундаментальные труды Зелинского и его учеников сыграли большую роль в развитии отечественной химии, в укреплении обороноспособности страны. Особое место в деятельности ученого заняло создание в 1915 г. противогаза.

В годы Великой Отечественной войны работа Николая Зелинского была направлена на улучшение обеспечения действующей армии и укрепление военной экономики СССР.