Николай Николаевич Бенардос родился 8 (26) июня 1842 года в селе Бенардосовка Херсонской губернии в семье с военными традициями. Его дед по отцовской линии, генерал-майор Пантелеймон Егорович Бенардос, был одним из героев Отечественной войны 1812 года. Отец, Николай Пантелеймонович Бенардос, участвовал в Крымской войне и вышел в отставку в чине полковника. Воспитанием и начальным образованием Николая занималась преимущественно мать, Екатерина Васильевна Свешникова.

Николай Бенардос получил домашнее начальное образование и проявлял большой интерес к ремёслам, особенно к слесарному и кузнечному. В 1862 году он поступил на медицинский факультет Киевского Императорского университета Св. Владимира, но медицина не стала его призванием. В 1866 году Бенардос перевёлся в Петровскую земледельческую и лесную академию в Москве, выбрав направление сельскохозяйственных наук. После окончания академии он покинул её, чтобы полностью посвятить себя изобретательству.

В конце декабря 1867 года Николай Бенардос приехал в Лух Костромской губернии, где находилось родовое имение его матери. Здесь он познакомился с Анной Алексеевной Лебедевой и в 1868 году женился на ней. Бенардос решил обосноваться в Лухском уезде и построил усадьбу "Привольное", где были оборудованы мастерские для столярных, плотницких, слесарных, механических и кузнечных работ. Он сконструировал и изготовил несколько сельскохозяйственных орудий, а затем полностью посвятил себя инженерным разработкам.

В 1870—1873 годах Бенардоса избирали гласным Юрьевецкого уездного и Костромского губернского земских собраний. Он выступал с предложениями по улучшению системы здравоохранения и санитарного контроля. В 1873 году произошёл инцидент, имевший для Бенардоса серьёзные последствия: вместе с братьями Телепневыми он участвовал в наказании розгами местного земского врача Алферьева. Последовало судебное разбирательство, длившееся больше года, во время которого Бенардос находился под стражей.

После освобождения Бенардос взялся за реализацию идеи постройки колёсного парохода-вездехода. Над проектом, который занял около пяти лет, изобретатель работал с помощью местных кузнецов. Весной 1877 года пароход "Николай" был спущен на воду реки Лух. В последующие годы Николай Бенардос всё больше углублялся в работы по электротехнике. Экспериментируя с вольтовой дугой для нагрева металла перед ковкой, он заметил, что дуга способна оплавлять и соединять металлические части.

В 1881 году Бенардос представил усовершенствованный им аккумулятор на Международной электрической выставке в Париже. Работая над улучшением аккумуляторов и систем освещения, Бенардос окончательно оформил своё главное изобретение — способ электрической дуговой сварки и резки металлов, названный им "Электрогефест". Этот метод, продемонстрированный на выставке, произвёл сенсацию, получил золотую медаль и принёс изобретателю мировую известность.

В 1885—1887 годах патенты на "Электрогефест" были получены во многих странах Европы и в США. В 1885 году в Санкт-Петербурге Н. Н. Бенардос и С. А. Ольшевский с партнёрами основали товарищество "Электрогефест", открыв первую в мире специализированную сварочную мастерскую. Технология быстро получила признание. В Россию приезжали зарубежные специалисты для ознакомления с методом, которые затем способствовали его распространению в своих странах.

В конце 1890-х годов здоровье Николая Бенардоса резко ухудшилось из-за отравления свинцом в ходе экспериментов с аккумуляторами. В 1899 году по рекомендации врачей он переехал в Фастов Киевской губернии. 19 (7) декабря 1899 Санкт-Петербургским электротехническим институтом (ЭТИ) Н. Н. Бенардосу было присвоено звание почётного инженера-электрика. Несмотря на болезнь, Бенардос продолжал работать. В 1900 году он разработал способ изготовления стальных борон путём штамповки.

21 (8) сентября 1905 года Николай Николаевич Бенардос скончался в богадельне города Фастова в возрасте 63 лет. Жена Бенардоса, Анна Алексеевна Лебедева, была дочерью лухского содержателя постоялого двора. У Бенардосов родилось пятеро детей: четыре сына и одна дочь. Двое сыновей умерли в раннем детстве. Двое других сыновей получили образование и работали электротехниками.

В 1981 году отмечалось 100-летие изобретения Н. Н. Бенардосом дуговой электросварки. Эта дата была внесена в календарь ЮНЕСКО "Годовщины выдающихся личностей и исторических событий 1981—1982 гг.". Были выпущены юбилейная медаль и памятные плакаты. Почта СССР в мае 1981 года выпустила почтовую марку с портретом Н. Н. Бенардоса в честь 100-летия изобретения электросварки в России. В посёлке Лух Ивановской области, где Бенардос прожил значительную часть жизни, при участии специалистов Института электросварки имени Е. О. Патона был создан музей, посвящённый его жизни и деятельности. Музей был открыт в июле 1981 года и носит имя изобретателя. В том же году в посёлке был установлен памятник Бенардосу. В 1981 году в городе Фастов Киевской области, где Бенардос провёл последние годы жизни и умер, ему также был установлен памятник.