В 1904 году окончил Петербургский морской кадетский корпус и был зачислен в Балтийский флотский экипаж мичманом. Участвовал в Цусимском сражении, получил боевые награды: медаль русско-японской войны, орден св. Станислава и св.Анны 4-й степени с надписью: «За храбрость».

В 1908 году Н. Н. Зубов поступил в Николаевскую Морскую академию и получил специальность гидрографа-геодезиста. Под влиянием идей Юлия Михайловича Шокальского, Н. Н. Зубов стал серьёзно интересоваться океаном.

В 1913 году Николай Николаевич выходит в отставку и переходит на гражданскую службу, в гидрометеорологический отдел торговых портов Министерства торговли и промышленности, читает лекции по гидрологии слушателям Гидрологических курсов при Министерстве торговли и по тактической навигации для штурманских офицеров.

Летом 1914 году он возглавляет учебную экспедицию по Балтийскому морю на шхуне «Утро».

С НАЧАЛОМ ПЕРВОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ Н. Н. ЗУБОВ ВОЗВРАЩАЕТСЯ В ВОЕННЫЙ ФЛОТ И НАЗНАЧАЕТСЯ КОМАНДИРОМ МИНОНОСЦА «ПОСЛУШНЫЙ».

После революции Н.Н. Зубов становится сотрудником Плавморнина (Плавучего морского научного института) и возглавляет гидрологические работы на судне «Персей». Возобновляет педагогическую деятельность, продолжает читать курс морской тактики для слушателей Военно-Морской академии.

СОЗДАЕТ УЧЕНИЕ О МОРСКИХ ВОДАХ И ЛЬДАХ.

В 1931 г. Н.Н. Зубов назначен учёным секретарём Советского национального комитета по проведению второго Международного полярного года (МПГ). В 1932 г. на базе Московского гидрометеорологического института (МГМИ) организует первую в нашей стране кафедру океанологии и возглавляет её до 1941 г. В этом же году участвует в экспедиции на парусно-моторном боте «Николай Книпович», затем становится научным руководителем высокоширотной экспедиции на ледокольном пароходе «Садко».

В 1937 году Н.Н. Зубов утверждён в учёной степени доктора географических наук по совокупности научных трудов.

В 1938 году вышла первая монография «Морские воды и льды».

С началом Великой отечественной войны Зубов добровольно вернулся на флот и был направлен в Архангельск, где руководил организацией ледовой проводки транспортных судов с военными грузами. За эти операции был награждён орден Отечественной войны 1-й степени и медалью «За оборону Советского Заполярья».

Весной 1943 г. Н.Н. Зубов был назначен помощником начальника Главного управления Северного морского пути (ГУСМП) по научной части.

С 1944 ПО 1948 ГГ. Н.Н. ЗУБОВ ДИРЕКТОР ОКЕАНОГРАФИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА.

В 1953 году по инициативе Зубова на географическом факультете Московского университета была организована кафедра океанологии, где он и работал последние годы своей жизни — читал курсы лекций по динамической океанологии, морским приливам, морским льдам, морским течениям.