Николай Вагнер родился 18 (30) июля 1829 года в Верхотурском уезде Пермской губернии (ныне город Карпинск Свердловской области) в дворянской семье. Детство Вагнер провёл на Урале. С 1840 года, когда отец был утверждён профессором минералогии, геологии и сравнительной анатомии Казанского университета, жил в Казани. В 1841 году Николай Вагнер обучался в частном пансионе М. Н. Львова, затем с 1842 по 1845 год учился во 2-й Казанской гимназии. В 1845 году Вагнер поступил на отделение естественных наук Казанского университета.
После университета Вагнер преподавал естественную историю и сельское хозяйство в Нижегородском Александровском дворянском институте. В 1852 году становится адъюнктом при физико-математическом факультете Казанского университета, магистром, затем доктором .С 1860-го — профессор зоологии, с 1862-го — ординарный профессор зоологии Казанского университета. В 1861—1864 годах Вагнер — редактор «Учёных записок Казанского университета». В 1863 году получает Демидовскую премию Академии наук за исследование «Самопроизвольное размножение у гусениц насекомых», ставшее сенсацией в научном мире того времени. В 1869 году был удостоен премии Бордена от Парижской академии наук и избран почётным членом Сибирского университета.
В 1870—1885 годах — профессор Санкт-Петербургского университета (продолжал читать лекции до 1894 года). Основал на Соловецком острове на Белом море биологическую станцию и был её директором до конца существования станции.
В 1877—1879 годах редактор научно-популярного журнала «Свет». C 1891 года — президент Русского общества экспериментальной психологии, с 1899 — почётный член Казанского университета. В 1901 году издал научно-популярные очерки книгой «Картины из жизни животных».
Известен главным образом как детский писатель.
Умер от прогрессивного паралича 21 марта (3 апреля) 1907 года в Петербурге.
