Советский химик-органик, академик (с 1929). Родился в Тирасполе. Окончил Новороссийский университет в Одессе (1884). С 1885 совершенствовал образование в Лейпцигском университете (у Й. Вислиценуса) и в Геттингенском университете (у В. Мейера). В 1888-1892 работал в Новороссийском университете, с 1893 - профессор Московского университета, который оставил в 1911 в знак протеста против реакционной политики царского правительства. В 1911-1917 директор Центральной химической лаборатории министерства финансов, с 1917 - вновь в Московском университете, с 1935 одновременно в Институте органической химии, одним из организаторов которого он был. Герой Социалистического Труда (1945), премия им. В.И. Ленина (1934), Государственные премии СССР (1942, 1946, 1948). Один из организаторов Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева и его почетный член (с 1941).
Исследования Н.Д. Зелинского относятся к нескольким областям органической химии - химии алициклических соединений, химии гетероциклов, органическому катализу, химии белка и аминокислот.
Положил начало ряду направлений, связанных с изучением взаимных превращений углеводородов.
Является одним из основоположников нефтехимии и учения об органическом катализе.
Осуществил (1931-1937) процессы каталитической и пирогенетической ароматизации нефтей.
Совместно с инженером А. Кумантом разработал конструкцию (1916) противогаза.
Впервые в СССР начал (1932, совместно с Н.С. Козловым) работы по получению хлоропренового каучука.
Открыл реакцию получения a-аминокислот из альдегидов или кетонов действием смеси цианида калия с хлоридом аммония и последующим гидролизом образующихся a-аминонитрилов.
Создал крупную школу химиков-органиков (А.Н. Несмеянов, Б.А. Казанский, А.А. Баландин, Н.И. Шуйкин, А.Ф. Платэ и др.).