Учился у И.Е. Репина в Петербургской академии художеств с 1892 по 1901 год. Дипломная картина – «Вечер в деревне». С 1896 года участвовал в выставках Академии художеств, «Нового общества художников», «Мира искусств», «Союза русских художников». В 1911 году выставлял свои произведения на международной выставке в Риме. Автор жанровых картин, интерьеров, пейзажей, натюрмортов, мастер акварели. Член-учредитель «Нового общества художников».
Основные произведения: «Тихо!» (1896, государственная Третьяковская галерея), «Сумерки» (1898, Пензенская картинная галерея), «На балконе» (1909, государственная Третьяковская галерея), «Визит» (1912, государственный Русский музей), «Три дамы» (1916, Пензенская картинная галерея), «Старая Пенза», (1926, Пензенский краеведческий музей) и другие.
В Пензенской картинной галереи находится 50 графических и живописных работ Н.Ф. Петрова. Николай Филиппович с 1910 по 1918 был директором Пензенского художественного училища, а преподавал в нем до 1936 года. С 1936 по 1941 год Петров возглавлял кафедру живописи во Всероссийской академии художеств в Ленинграде.
