В 1888—1890 годах вместе с А. В. Фоминым и Н. А. Бушем совершил несколько ботанико-географических экспедиций по Кавказу. Изучение кавказской флоры и в последующем стало одним из главных дел его жизни — исследованию флоры этого региона он посвятил 30 лет.

В 1891 году, после возвращения из последнего путешествия по Кавказу, был назначен на должность младшего консерватора Императорского ботанического сада.

Летом 1894 года принимал участие в качестве ботаника в экспедиции по исследованию источников важнейших рек Европейской России.

В 1895 году за диссертацию «Подрод Eugentiana рода Gentiana» («Труды Санкт-Петербургского общества естествоиспытателей», 1894) Кузнецов получил степень магистра ботаники. Степень доктора ботаники honoris causa была присуждена ему Новороссийским университетом в 1911 году.

В октябре 1895 г. в Юрьев (Дерпт) и был назначен экстраординарным профессором по кафедре ботаники и директором университетского ботанического сада, а с 1901 года работал исполняющим должность ординарного профессора Юрьевского университета. Юрьевский период жизни Н. И. Кузнецова был один из самых плодотворных. Здесь он основал ботанический журнал «Труды Ботанического сада Юрьевского университета» (1900—1915), продолжил изучение флоры и растительности Кавказа с изданием критической флоры Кавказа «Flora caucasica critica».

В 1915—1918 годах он был директором Никитского ботанического сада.

В 1918—1921 годах — профессор Таврического университета.

С 1921 года — профессор кафедры географии и экологии растений Ленинградского университета. С 1922 года — заведующий отделом геоботаники Главного ботанического сада в Ленинграде.