Николай Густавович Шильдер происходил из дворянского рода прибалтийских немцев. Он был третьим сыном отставного корнета, смотрителя Московской коммерческой школы Отто Густава (Евстафия Андреевича) Шильдера.
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 обучался более 10 лет в классе батальной живописи у Б. П. Виллевальде. В 1853 году он был награжден малой серебряной медалью за картину «Пикет лейб-гвардии Литовского полка. Из аванпостной службы». В период с 1854 по 1855 годы он работал над картинами, посвященными Крымской войне, включая картину «Прощание ополченцев» (ГРМ).
Впоследствии под влиянием творчества П. А. Федотова Шильдер обратился к жанровой живописи. В 1857 году он создал картину «Искушение» по сюжету федотовской сепии «Бедной девушке краса — смертная коса». За эту работу в 1857 году он был награжден большой серебряной медалью. В 1858 году он написал «Семейное счастье», а в 1861 году его картина «Расплата с кредиторами» принесла ему звание академика жанровой и батальной живописи.
С начала 1860-х годов Шильдер активно работал в жанре портрета. Он создал портреты различных личностей, включая членов царской семьи, таких как Александр III и его супруга Мария Фёдоровна. Кроме того, он занимался написанием икон, включая иконостас церкви в Даниловском уезде Ярославской губернии.
Николай Густавович Шильдер похоронен в Царском Селе на Казанском кладбище. Его сын, Андрей Николаевич Шильдер (1861—1919), стал известным художником-пейзажистом, учеником И. И. Шишкина.
