Происходивший из старинного княжеского рода, ведущего свое начало от князя Михаила Всеволодовича Черниговского, был сыном сподвижника Петра Великого, генерал-фельдмаршала князя Василия Аникитича Репнина. Получив домашнее образование, он начал свою военную карьеру в 1748 году, служа сержантом в лейб-гвардии Преображенского полка. По мере продвижения по службе, он был произведен в прапорщики в 1749 году, а в 1753 году назначен полковым адъютантом Преображенского полка.
В период Семилетней войны (1756–1763 гг.) он принимал участие в ряде военных действий, включая взятие Пиллау, сражение при Кунерсдорфе и занятие Мариенвердера и Кюстрина. За выдающиеся заслуги его повысили до капитана. В 1760–1762 годах он командовал полком, а в 1762 году был переведен на дипломатическую службу и назначен посланником в Пруссии.
В 1763 году он стал директором Сухопутного кадетского корпуса, а в ноябре того же года его назначили послом и полномочным министром в Польшу, где он добился значительного укрепления российского влияния и подписания выгодного для России Варшавского договора 1768 года.
В начале Русско-турецкой войны 1768–1774 гг. он командовал 3-й пехотной дивизией, участвовал в блокаде и взятии Хотина, а затем в составе войск генерал-поручика И.К. Эльмпта принимал участие во взятии Ясс. С 1770 года он руководил отдельным корпусом в Молдавской армии генерал-поручика Х.М. Штофельна.
В 1771 году он стал главнокомандующим войсками в Валахии и сыграл значимую роль в подготовке и подписании Кючук-Кайнарджийского мирного договора 1774 года.
С 1775 года он был полномочным послом России в Турции, а с 1777 года занимал гражданские должности: генерал-губернатор Смоленска, одновременно с 1778 годом – наместник Орловского наместничества.
В 1779 году он успешно посредничал в переговорах между Пруссией и Австрией, завершившихся заключением Тешенского мира.
С 1780 года он снова стал генерал-губернатором Смоленска, а с 1781 года – также генерал-губернатором Пскова. В 1782 году он командовал резервным корпусом в Польше.
Он также принимал участие в Русско-турецкой войне 1787–1791 гг. В 1788 году он возглавил дивизию, приняв участие в осаде и взятии Очакова. С 1789 года он командовал войсками в Молдавии. Во время отсутствия Г.А. Потёмкина в Петербурге он исполнял обязанности главнокомандующего действующей армией. В 1791 году он командовал российскими войсками в Мачинском сражении, где разгромил превосходящее по численности турецкое войско, что привело к подписанию предварительных условий мира в Галаце и послужило основой Ясского мирного договора 1791 года.
С 1792 года он был генерал-губернатором Лифляндии и Эстляндии, а с 1794 года – также Литвы. В 1798 году он возглавил дипломатическую миссию в Пруссию и Австрию, где вел переговоры о создании военно-политического союза против Франции. Однако по возвращении в Россию в 1798 году он столкнулся с неприязнью со стороны Павла I и был уволен со службы.
Он был награжден орденами: российскими – орденом Святого Андрея Первозванного, орденом Св. Владимира 1-й ст., Св. Александра Невского, Св. Анны, Св. Георгия 1-й и 2-й ст.; иностранными: польскими – Белого Орла и Св. Станислава, прусским – Черного Орла.
24 мая (по новому ст.)1801 года Николай Васильевич Скончался.
Об обстоятельствах кончины фельдмаршала его адъютант Лубяновский вспоминал:
К вечеру 9 мая случился пожар в соседней деревне; Репнин стоял на балконе с открытою головою, пока не поехали от него на помощь люди и трубы; ушёл к себе в обычный час, на другой день вышел в парк и там, ходя обыкновенным, бодрым своим шагом, вдруг зашатался, не мог идти, опёрся на внука и на садовника; поданы кресла… Медицинские пособия с первого приступа оказались недействительны, говорил мало, скоро совсем не мог говорить; несколько часов ещё дышал и в тот же день скончался.
— Воспоминания Федора Петровича Лубяновского (1777—1834)
Тело Николая Васильевича Репнина было погребено в старом соборе Донского монастыря. В советское время его фигурное надгробие, одно из лучших в Москве периода классицизма, было перенесено в соседнюю Михайловскую церковь (с 1990-х годов надгробие находится в подклете Большого собора и мало доступно для обозрения).
