Из древнего княжеского рода. Окончил 5-ю московскую гимназию (1908), отделение сравнительного языкознания историко-филологического факультета Московского университета (1908—12). Стажировался в Лейпцигском университете (1913—14; Германия). С 1915 приват-доцент сравнительного языкознания историко-филологического факультета Московского университета. Во время Гражданской войны уехал на юг России. В 1918—19 преподавал в Донском университете (Ростов-на-Дону). В декабре 1919 эвакуирован в Константинополь, с 1920 жил в Болгарии. В 1920—22 доцент Софийского университета. Идеолог евразийского движения. Соредактор сборника «Евразийский временник» (1923—27). В 1926 один из основателей Пражского лингвистического кружка. В 1923—38 жил в Вене (Австрия), преподавал в Венском университете, профессор славянской филологии. С марта 1930 участник Братства Св. Софии. Член Венской Академии наук (1930). Автор новой лингвистической дисциплины — фонологии, ставшей ядром развития структурной лингвистики. После аншлюса Австрии (1938) вызывался на допрос в гестапо, арестован на трое суток. Часть рукописей Т. была изъята во время обыска и исчезла. Скончался от инфаркта в больнице. Похоронен на русском участке Центрального кладбища Вены.

Отец: Сергей Николаевич, князь (1862—1905), философ, ректор Московского университета. Мать: Прасковья Владимировна (ур. Оболенская, 1860—1914). Жена: Вера Петровна (ур. Базилевская; 1892—1968). Дочери: Елена (в зам. Ковач; 1915—1968); Дарья (в зам. Вейссель; 1920—1975).

Фотографии захоронения любезно предоставлены автором снимков  Д. П. Шпиленко

Библ.: Материалы для библиографии русских научных трудов за рубежом (1920—1940) / Под ред. Е.В. Спекторского. Т. 1. Белград, 1931. № 405. С. 325—327; То же. Т. 2. Белград, 1941. № 321. С. 355—359; Труды русской, украинской и белорусской эмиграции, изданные в Чехословакии в 1918—1945 гг. Т. 1. Ч. 2. Прага, 1996. С. 716—717; Список филологических трудов Н.С. Трубецкого / Сост. С.А. Крылов // Трубецкой Н.С. Избранные труды по филологии. М., 1985; О Евразии и евразийцах: (Библиографический указатель). Петрозаводск, 2000; Travaux du Circle linguistique. Pr., 1939. № 8. P. 335—342.

Соч.: Европа и человечество. София, 1920; О туранском  элементе в русской культуре; Наследие Чингисхана; К проблеме русского самопознания. Париж, 1927; Основы фонологии. М., 1960; Избранные труды по филологии. М., 1985; Письма к П.П. Сувчинскому. 1921—1928. М., 2008.

Лит.: Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия: История и культурно-просветительная работа русского зарубежья за полвека (1920—1970). Париж, 1971. С. 164; Ашнин Ф.Д., Алпатов В.М. «Дело славистов»: 30-ые годы. М., 1994; Кочев И. Николай Трубецкой (1890—1938) // Съпоставително езикознание. София, 1988. Г. 13. № 4/5. С. 216—220; Топоров В.Н. Николай Сергеевич Трубецкой — ученый, мыслитель, человек // Советское славяноведение. 1990. № 6. С. 51—84; 1991. № 1. С. 78—99; Робинсон М.А., Петровский Л.П. Н.Н. Дурново и Н.С. Трубецкой: проблема евразийства в контексте «дела славистов» (по материалам ОГПУ — НКВД) // Славяноведение. 1992. № 4. С. 68—81; Казнина О.А. Н.С. Трубецкой и кризис евразийства // Славяноведение. 1995. № 4. С. 89—95; Русское зарубежье. Золотая книга эмиграции. Первая треть ХХ века: Энциклопедический биографический словарь. М., 1997. С. 631—634 (авт. З. Бочарова); Бирман Н.А., Горяинов А.Н. Российские интеллектуалы-эмигранты в Болгарии 1920—1930-х годов // Новая и новейшая история. 2002. № 1. С. 181—182; «Там так легко дышится...»: Из американского архива Георгия Вернадского / Публ. и прим. М.Ю.Сорокиной // Диаспора. Вып. 6. Париж; СПб., 2004. С. 668—680 (письма Г.В. Вернадскому); Shnirelman V. The Eurasian Concept of Culture: N.S. Trubeckoj and L.P. Karsavin // Русская, украинская и белорусская эмиграция в Чехословакии между двумя мировыми войнами. Результаты и перспективы проведенных исследований. Фонды Славянской библиотеки и пражских архивов. Pr., 1995. С. 448—466; Общественная мысль Русского зарубежья: Энциклопедия. М., 2009. С. 555—559 (авт. Е.Л. Петренко); Шпиленко Д.П.; Центральное кладбище в Вене: Русский участок. М., 2011. С. 20; Annuaire de l’institut de philologie et d’histoire orientales et slaves. T. 7 (1939—1944). New York, 1944. P. 544; Raymond B., Jones J.D. The Russian Diaspora, 1917—1941. Lanham, 2000. P. 216.

Некр.: Незабытые могилы. Российское зарубежье: Некрологи 1917—1997: В 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков и др. М., 2006. Т. 6, кн. 2. С. 476—477; Acta linguistica. 1939. № 1.