Николай Шильдер родился 24 марта (12 по старому стилю) 1828 года в Харькове в семье прибалтийских немцев дворянского рода. Его отец – отставной корнет, смотритель Московской коммерческой школы Отто Густав (Евстафий Андреевич) Шильдер. Отличившийся на полях николаевских войн инженер-генерал Карл Андреевич Шильдер приходился ему родным дядей, а его сын, генерал-лейтенант Николай Карлович – двоюродным братом.
В 1845 и 1846 годах Николай пытался поступить в рисовальную школу Общества поощрения художников, но не был принят. В 1850 году он поступил в Академию художеств, где учился более 10 лет в классе батальной живописи у Б.П. Виллевальде, получая по его прошению до 1858 года содержание от Совета академии. В 1853 году Николай был награждён Малой серебряной медалью за картину «Пикет лейб-гвардии Литовского полка. Из аванпостной службы». В 1854–1855 годах он работал над картинами на темы Крымской войны, в 1855 году им была написана картина «Прощание ополченцев». Под влиянием творчества П.А. Федотова, он обратился к жанровой живописи. В 1857 году была им написана картина «Искушение» по сюжету федотовской сепии «Бедной девушке краса – смертная коса». За неё в 1857 году он был награждён Большой серебряной медалью. В 1858 году он пишет «Семейное счастье» (не сохранилось), а в 1859 и 1860 годах он работает над конкурсными программами академии – эскизы картин «Ростовщик» и «Сговор невесты». С 1859 по 1860 год он дважды участвовал в конкурсе на получение Большой золотой медали «по живописи народных сцен», дающей право на пенсионерскую поездку за границу, но награды не получил.
В 1861 году за картину «Расплата с кредиторами» Николай был удостоен звания академика жанровой и батальной живописи. С 1860-х годов он много работал в жанре портрета. Около 1864 года им был написан портрет М.Н. Муравьёва. В 1880-х годах им были выполнены портреты членов царской семьи: Александра III и его супруги Марии Фёдоровны. Также он писал сцены охоты, пейзажные этюды, изображал лошадей и собак. Неоднократно Николай Густавович получал разрешение копировать картины, находившиеся в Зимнем дворце, в их числе: портрет А.В. Суворова, портрет генерала Сиверса из Военной галереи, портрет Екатерины II (работы И.Б. Лампи). Также Шильдер писал иконы. Им был создан иконостас церкви в Даниловском уезде Ярославской губернии. Николай Шильдер принадлежит к числу так называемых «малых» жанристов 1860-х годов. В своём творчестве он испытал влияние П.А. Федотова. Его картинам, посвящённым преимущественно судьбе «маленького человека», присуща критическая направленность, несколько прямолинейная и демонстративная разработка сюжета. В поздний период (1880-е – 1890-е) он создавал портреты в академическом ключе. Живописная манера отличается отточенностью, но некоторой схематичностью приёмов, сдержанным колоритом и тщательной проработкой деталей.
Николай Шильдер периодически принимал участие в выставках в залах Императорской Академию художеств (1853–1873, с перерывами). В 1873 году на академической выставке им были представлены портрет генерал-майора Петухова и детские портреты в технике пастели.
Работы Николая Шильдера находятся в Государственном Русском музее, Государственной Третьяковской галерее, Артиллерийском музее в Санкт-Петербурге, Музее Орсэ в Париже и других.
Николай Шильдер скончался 25 марта (13 по старому стилю) 1898 года в Царском Селе. Похоронен на Казанском кладбище.
