Отец Николая был секретарем заводчика Шмидта. Николай окончил Царскосельский лицей, где несколькими классами ранее учился Н. Гумилев. После окончания с золотой медалью, в 1913 г., уехал учиться в Париж, где слушал лекции А. Бергсона, оказавшего сильное влияние на молодого поэта. Под влиянием Бергсона и Гумилёва начинает писать стихи. По возвращении на родину был зачислен на историко-филологический факультет Петербургского университета, одновременно проходя воинскую службу в запасном полку 5-й армии.
После Октябрьской революции был приглашен Горьким и Гумилёвым в издательство «Всемирная литература» в качестве поэта-переводчика; переводил Р. Саути, Дж. Н. Г. Байрона, С. Малларме. Был, наряду…
с Н. Гумилёвым и М. Лозинским организатором «Нового цеха поэтов», в издательстве которого вышел первый сборник стихотворений Оцупа, «Град» (1921). До конца жизни Оцуп признавал, что как поэт он очень многим обязан И. Анненскому, которым в годы своей поэтической молодости был сильно увлечен и Гумилев.
После расстрела Гумилёва принял решение покинуть Россию и осенью 1922 года выехал в Берлин, где содействовал переизданию трёх альманахов «Цеха поэтов» и выпуску четвёртого. Вскоре перебрался в Париж, где выпустил второй стихотворный сборник, «В дыму» (1926), послужившего вступлением к следующему произведению Оцупа, поэме «Встреча» (1928). В 1930 году основал журнал «Числа», посвященный вопросам литературы, искусства и философии и послуживший стартовой площадкой для множества молодых представителей русской эмигрантской литературы. В 1939 году вышел единственный роман Оцупа, «Беатриче в аду» — о любви богемного художника к начинающей актрисе.
В начале Второй мировой войны Оцуп записался добровольцем во французскую армию, больше полутора лет находился в плену, совершил два побега из концлагерей и с 1943 года принимал активное участие в итальянском Сопротивлении, за что был удостоен военных наград. По окончании войны преподавал в парижской «Эколь Нормаль», где в 1951 защитил докторскую диссертацию, посвященная Гумилёву, первая значительная научная работа о поэте. Подготовил к печати том его «Избранного». Как литературовед Оцуп обращался к наследию Гумилёва и в дальнейшем: большой мемуарный очерк о нем вошел в его книгу воспоминаний «Современники» (1961), где представлены также очерки и критические статьи, посвященные Анненскому, Сологубу, Блоку, Белому, Замятину, Маяковскому, Есенину, Пастернаку. В 1950 выпустил монументальный «Дневник в стихах. 1935—1950», поэму лирико-эпического плана, написанную десятистрочными строфами и призванную передать определяющее свойство эпохи — ее эклектизм, исключающий возможность последовательного энциклопедичного обзора века. Последняя прижизненно опубликованная работа — поэма «Три царя» (1958).
Последние годы Оцуп много сил отдавал попыткам обоснования эстетической программы и философских предпосылок нового направления, которое он назвал персонализмом, опираясь на идеи и терминологию Н. Бердяева. Скоропостижно скончался от разрыва сердца в Париже 28 декабря 1958, похоронен на русском кладбище Сент-Женевьев-де-Буа. Посмертно издан двухтомник стихотворений Оцупа «Жизнь и смерть» (1961, Париж), два сборника его исторических и публицистических работ.
