Представитель старинного дворянского рода. Отец его был сенатором, статс-секретарём в правление Николая I. Первоначальное образование получил в семье, затем обучался в Пажеском корпусе, из которого вышел в 1827 г. прапорщиком Лейб-гвардии Финляндского полка.

Участвовал в Русско-турецкой войне 1828–1829 гг. на территории Болгарии, в подавлении польского восстания 1831 г. В 1838–1840 гг. в составе Кавказского корпуса сражался против горцев, затем командовал отрядом на Черноморской береговой линии.

С июня 1841 г. генерал-майор. В 1844 г. покинул Кавказ.
Перейдя на гражданскую службу, был причислен к Министерству внутренних дел, выезжал с ревизиями в Новгородскую губернию, в 1846–1847 гг. занимал должность военного и гражданского губернатора г. Тулы. С сентября 1847 г. сменил В.Я. Руперта на посту генерал-губернатора Восточной Сибири.

В Иркутск прибыл 14 марта 1848 г. В период его управления краем в Иркутске создаются новые учебные заведения, открывается Восточно-Сибирское отделение Русского географического общества, появляется периодическая печать.

В 1858 г., после заключения Айгунского договора с Китаем, он был возведён в графское достоинство с присоединением к фамилии почётного имени Амурский. Ему также было присвоено звание генерала от инфантерии.

Н.Н. Муравьёв-Амурский оказывал помощь политическим ссыльным, декабристам и петрашевцам. Будучи человеком энергичным, трудолюбивым, бескорыстным, стремился решать сложные проблемы края, нередко нарушая законы и традиции своего времени.

В январе 1861 г. уезжает в столицу и в феврале выходит в отставку. Его назначили членом Государственного совета. В марте 1861 г. Н.Н. Муравьёв-Амурский уезжает во Францию, на родину жены, изредка наведываясь в Россию. Умер в Париже. Еще в 1905 г. была предпринята попытка перенести его прах в Россию, но помешала Русско-японская война. В декабре 1990 г. останки Н.Н. Муравьёва-Амурского были доставлены во Владивосток и 21 сентября 1991 г. перезахоронены рядом с обелиском его сподвижника адмирала Невельского.