Родился Николай Михайлов 24 ноября 1893 года в слободе Межирич Лебединского уезда Харьковской губернии (ныне - Лебединский район Сумской области Украины). По другим данным, местом рождения была станица Раздорская-на-Дону Первого Донецкого округа Области Войска Донского. Окончил городское училище. С октября 1914 года (по другим данным - с января 1915 года) начал службу в императорской армии. В декабре 1915 года окончил Телавскую школу прапорщиков. Участвовал в Первой мировой войне, сражался на Кавказском, Западном и Юго-Западном фронтах, был дважды ранен и отравлен газами, дослужился до командира батальона.
С августа 1918 года - в Красной Армии. В Гражданскую войну был командиром роты, батальона, помощником командира 342-го стрелкового полка, помощником командира 91-го стрелкового полка, помощником командира 33-й стрелковой бригады. За бои в районе города Верро (ныне Выру, Эстония) награждён орденом Красного Знамени. С января 1920 года командовал Петроградской отдельной стрелковой бригадой, затем 33-й и 31-й стрелковыми бригадами. В марте 1921 года участвовал в подавлении Кронштадтского восстания. В 1921–1922 годах — командир учебно-кадровой бригады, затем помощник командира 16-й и 10-й стрелковых дивизий.
Переломным моментом в судьбе Михайлова стал 1924 год, когда он прошёл стажировку в Штабе авиации Чёрного моря. С октября того же года - начальник штаба ВВС Морских Сил Чёрного и Азовского морей. Затем были должности начальника штаба ВВС Западного военного округа в Смоленске, помощника командира 16-й авиационной эскадрильи «Ультиматум» в Гомеле, командира 33-й авиационной эскадрильи в посёлке Кречевицы Новгородской области. В марте-августе 1930 года - командир 18-й тяжелобомбардировочной авиационной бригады. В течение пяти лет был начальником ВВС Отдельной Краснознамённой Дальневосточной армии. С 1935 по 1937 год командовал ВВС Северо-Кавказского военного округа.
20 ноября 1935 года Михайлову было присвоено звание комдива. 4 июня 1940 года, в соответствии с Постановлением СНК СССР № 945, он стал генерал-майором авиации.
В годы Великой Отечественной войны Н.И. Михайлов занимал должность начальника авиационного отдела штаба 3-й резервной армии, а с июля 1943 года — начальника авиационного отдела штаба 21-й армии. 13 августа 1943 года генерал-майор авиации Николай Иванович Михайлов погиб во время артобстрела под Смоленском в ходе Спас-Деменской фронтовой операции (составная часть Смоленской операции) на командном пункте 104-го стрелкового полка 62-й стрелковой дивизии в деревне Лога Спас-Деменского района Смоленской области (ныне деревня и весь район находятся в составе Калужской области) от прямого попадания мины. Был похоронен в деревне Заборье Угранского района, в последующем перезахоронен в братской могиле в селе Всходы Угранского района.