Из дворянской семьи. Окончил 1-ю киевскую гимназию с золотой медалью (1917). Учился на медицинском факультете университета св. Владимира в Киеве (1917—19). Участник Белого движения. В 1920 эвакуирован из Севастополя на пароходе «Рион» в Галлиполи. Затем жил в Королевство сербов, хорватов и словенцев; работал в учреждениях Российского общества Красного креста, ухаживал за больными оспой. В 1921—27 учился на медицинском факультете Загребского университета. Доктор философии (1929). Ассистент по бактериологии Загребского университета, вел исследовательскую работу по проблемам бактериофагам. Подданный Королевства сербов, хорватов и словенцев. В 1929 переехал в Париж (Франция), увлекся микробиологией; ассистент профессора Ф. д'Эрреля, возглавил институт его имени. Составил коллекцию различных бактериофагов более 10000 наименований. Член правления Общества русских врачей им. И.И. Мечникова в Париже (1931). Руководитель Общества русских врачей — участников Великой войны в Париже. В 1936 по приглашению мексиканского правительства ездил в Мексику для организации преподавания бактериологии. В годы Второй мировой войны участник Сопротивления. 18 апреля 1941 арестован оккупационными властями и отправлен в лагерь в Компьене. После освобождения 14 октября 1941 вернулся в лабораторию. После окончания войны принял французское подданство. 4 декабря 1960 за научные труды удостоен серебряной медали Общества поощрения прогресса, ордена Почетного легиона. В 1960 по болезни оставил работу в лаборатории, с 1961—63 сотрудничал с Пастеровским институтом в Париже.

Похоронен на кладбище в Сент Женевьев де Буа.

Отец: Афанасий Иванович (1859—1907), профессор Киевской духовной академии. Мать: Варвара Михайловна (ур. Покровская, во 2-м браке — Воскресенская, 1869—1922). Братья: Михаил (1891—1940), писатель; Иван (1900—1968), музыкант. Сестры:  Вера (1892—1972), Надежда (1893—1971), Варвара (1895—1954), Елена (1902—1954). Жена: Яхонтова Ксения Александровна (1897—1977), дочь киевского профессора.

Лит.: Ковалевский П.Е. Наши достижения: Роль русской эмиграции в мировой науке. Вып. 1. Мюнхен, 1960. С. 23; Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия: История и культурно-просветительная работа русского зарубежья за полвека (1920—1970). Париж, 1971. С. 142; Некрасов В. Записки зеваки. Париж, 1976. С. 63; Чудакова М.О. Жизнеописание Михаила Булгакова, 1988; Гудкова В.В. «Не все ли равно, где быть немым»: Письма М.А.Булгакова брату Н.А.Булгакову // Дружба народов. 1989. № 2; Виленский Ю.Г. Доктор Булгков. Киев, 1991. С. 20—22; Мирский М.Б. Медицина России X—XX веков: Очерки истории. М., 2005. С. 483—484, 486; Российское зарубежье во Франции. 1919—2000: Биографический словарь в 3-х т. М., 2008. Т. 1. С. 224—225; Сорокина М.Ю. Материалы для биобиблиографического словаря «Российское научное зарубежье». Пилотный выпуск 1: Медицинские науки. XIX — первая половина ХХ в. М., 2010. С. 48—49; Raiga-Clemencean M.A. Nicolas Bulgakov 1898—1966 // Nouvelles Archives Hospitalières. 1967. № 6/7. P. 269—276.