Родился в Москве в семье врача Михаила Степановича Зернова (1857—1938) и Софии Александровны Кеслер (1865—1942). Дедом по отцовской линии был протоиерей Степан Иванович Зернов (1817—1886), почётный член Московской духовной академии и член Духовной консистории. В семье росли ещё трое детей: Софья (1899—1972; секретарь Международной организации помощи беженцам), Мария (1902—1965; основательница Пушкинского клуба в Лондоне), Владимир (1904—1990; автор научных статей по иммунитету).

Окончил гимназию Поливанова с золотой медалью (1917). Поступил на медицинский факультет Московского государственного университета.

В 1921 году семья Зерновых эмигрировала в Константинополь, затем в Белград. Осенью 1921 года Николай Зернов поступил на богословский факультет Белградского университета и окончил его в 1925 году; тогда же переехал в Париж. В 1927 году женился на Милице Лавровой, дочери Владимира Андреевича Лаврова (1867—1936) и Александры Никаноровны Никольской (1872—1957).

Секретарь Русского студенческого христианского движения и первый редактор журнала «Вестник РСХД» (совместно с И. А. Лаговским). Читал лекции по обличительному (сравнительному) богословию в Свято-Сергиевском православном богословском институте в Париже.

В 1930—1932 годах — аспирант Оксфорда, получил степень доктора философии. В 1934 году обосновался в Лондоне и в течение 13 лет был секретарём Братства святых Албания и Сергия. Преподавал основы восточной православной культуры в Оксфордском университете; работал также в Южной Индии, в американских университетах Дрю и Дьюка.

В последние годы жизни руководил деятельностью Дома свв. Григория Нисского и Макрины при Содружестве святого Албания и преподобного Сергия в Оксфорде. Был удостоен степени почётного доктора Оксфордского университета. В Оксфорде Зернов довольно близко дружил с Клайвом Льюисом, автором «Хроник Нарнии». Позже Зерновы очень гордились фотографией, где «Джек» сидит у них в гостиной (в раннем детстве Льюис невзлюбил своё имя «Клайв» и называл себя Джеком, потом этим именем его называли все друзья и близкие).

Н. М. Зернов - автор нескольких десятков книг на русском и английском языках по истории России, православной церкви и проблеме единения христианства. Особую популярность приобрели книги: «Русское религиозное возрождение XX века» и составленная им совместно с женой, братом и сестрой двухтомная хроника «На переломе. Три поколения одной московской семьи» и «За рубежом. Белград, Париж, Оксфорд», в которой показана культурная жизнь дореволюционной Москвы и послереволюционной русской эмиграции через историю их семьи.