Окончил керченскую Александровскую гимназию с отличием (1872—80), естественное отделение физико-математического факультета Новороссийского университета в Одессе. Занимался в Геологическом кабинете под руководством профессора И.Ф. Синцова. Не был оставлен для приготовления к профессорскому званию, т. к. подписал протест в связи с отставкой по политическим мотивам профессора И.И. Мечникова (1845—1916). С 1886 профессорский стипендиат Петербургского университета при кафедре профессора А.А. Иностранцева. С 1889 лаборант Геологического кабинета Новороссийского университета. В феврале 1890 защитил в Петербургском университете магистерскую диссертацию «Керченский известняк и его фауна»; приват-доцент по геологии в Новороссийском университете. Совместно с профессором А.В. Клюссовским в 1890 разработал проект Черноморской глубокомерной экспедиции на канонерке «Черноморец», снаряженной Русским географическим обществом и Морским министерством для исследования глубин Черного моря, и получившей важные научные результаты. С осени 1893 приват-доцент Петербургского университета, читал курс палеонтологии в течение нескольких семестров. С 1896 сверхштатный экстраординарный профессор Юрьевского университета. 4 мая 1897 в Петербургском университете защитил докторскую диссертацию «Ископаемые и живущие Dreissensidae Евразии», в 1898 отмеченную Ломоносовской премией Императорской академии наук. В 1901—04 ординарный профессор по кафедре минералогии Юрьевского университета. В 1905—12 ординарный профессор, зав. кафедрой геологии в Университете св. Владимира в Киеве. 4 декабря 1910 избран членом-корреспондентом Императорской академии наук в СПб.  по физическому разряду Физико-математического отделения. В мае 1911 не утвержден министром народного просвещения Л.А. Кассо на кафедру геологии Петербургского университета. Подал в отставку и, за выслугой 25 лет, получил таковую с пенсией. Осенью 1912 избран, с 1913 утвержден геологом Геологического комитета. Переехал в СПб., преподавал на Высших женских курсах. С 3 мая 1914 действительный член Императорской академии наук в СПб. по Физико-математическому отделению. Зав. Геологическим отделением Геологического и минералогического музея им. Петра Великого Академии наук. В 1917 покинул Петроград. Жил с семьей в Керчи. В 1919 избран действительным членом Украинской Академии наук по кафедре палеонтологии, специально для него созданной. Профессор Таврического университета в Крыму. 25 марта 1920 выехал с семьей из Севастополя в Константинополь, далее уехал в Париж (Франция). Август и сентябрь 1921 провел на Биологической станции в Виллафранке, изучая морскую фауну и работая в библиотеке. С 1922 жил в Праге (Чехословакия). Читал лекции в пражском Карловом университете.

Похоронен в Праге на Ольшанском кладбище.

Отец: Иван Андреевич (ум. 1870), штурман. Мать: Елена Филипповна (ур. Белая). Жена: Надежда Генриховна (ур. Шлиман; 1861—1935). Сыновья: Вадим (1895—1975), скульптор; Дмитрий (1897—1976), геолог, академик; Леонид (ум. 1919). Дочери: Вера (в зам. Сомова; 1893—1975), музыкант; Марианна, филолог.

Библ.: Материалы для библиографии русских научных трудов за рубежом (1920—1940) / Под ред. Е.В. Спекторского. Т. 1. Белград, 1931. № 17. С. 14; То же. Т. 2. Белград, 1941. № 14. С. 22—23; Труды русской, украинской и белорусской эмиграции, изданные в Чехословакии в 1918—1945 гг. Прага, 1996. Т. 1. Ч. 1. С. 26—27.

Соч.: Карабугазский залив. СПб., 1896; Die fossilen Bryozoenriffe der Halbinseln Kertsch und Taman. Lfg. 1. Киев, 1909. Вып. 1; Геологическое отделение Геологического и Минералогического музея имени Петра Великого при Академии наук и необходимость его преобразования в Русский национальный геологический музей. Пг., 1917; Понтический ярус. Пг., 1917; Верхний плиоцен Черноморското бассейна. Л., 1929; Избранные труды. М., 1961—1965. Т. 1—4.

Восп.: Воспоминания, 1871—1890. Париж, 1925.

Лит.: Деятели естествознания и техники: Биографический словарь. Т. 1. М., 1958. Т. 1. С. 21; Ковалевский П.Е. Наши достижения: Роль русской эмиграции в мировой науке. Вып. 1. Мюнхен, 1960. С. 14; Эберзин А. Г. Николай Иванович Андрусов: К столетию со дня рождения // Палеонтологический журнал. 1961. № 4. С. 3—11; Воспоминания учеников и современников о Н.И. Андрусове. М., 1965; Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия. Париж, 1971. С. 81, 82, 129—130; Оноприенко В.И. Николай Иванович Андрусов. 1861—1924. М., 1990; Эйнор О.Л. Николай Иванович Андрусов. Киев, 1990; Оноприенко В.И. Николай Андрусов: сдвиг истории и излом судьбы // Российские ученые и инженеры в эмиграции. М., 1993. С. 83—92; Русское зарубежье. Золотая книга эмиграции. Первая треть ХХ века: Энциклопедический биографический словарь / Под общей ред. В.В. Шелохаева. М., 1997. С. 32—34 (авт. Борисов В.); Иностранцев А.А. Воспоминания / Подг. текста, вст. статья и комм. В.А. Прозоровского и И.Л. Тихонова. СПб., 1998; Российская академия наук: Персональный состав. Кн. 1: 1724—1917. М., 1999. С. 95, 198; Оноприенко В.И. Геологи Андрусовы: две жизни в науке // Вестник РАН. 2002. Т. 72, № 1. С. 50—56; Волков В.А., Куликова М.В. Российская профессура XVIII — начала XX вв.: Биологические и медико-биологические науки: Биографический словарь. СПб., 2003. С. 20—21; Дом в изгнании: Очерки о русской эмиграции в Чехословакии 1918—1945. Прага, 2008. С. 107—110; Dictionary of Scientific Biography / Ed. by Ch. C. Gillispie. New York, 1970. Vol. 1; Andrušovová-Vlčeková G. Heinrich Schliemann und seine russische Familie. Ankershagen, 1990; Andrušovová-Vlčeková G. Dimitrij Andrusov — životopisná črta. Bratislava, 1997; Charton B. A to Z of Marine Scientists: Notable Scientists. New York, 2003.

Некр.: Незабытые могилы: Российское зарубежье: некрологи 1917—1997 в 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков. Т. 1. М., 1999. С. 93.