Учился в вятской гимназии, Петербургской медико-хирургической академии, которую окончил в 1877. Доброволец на русско-турецкой войне 1877—78. Изучал душевные болезни в клинике душевных и нервных болезней при Военно-Медицинской Академии под руководством профессора И.П. Мержеевского, где и написал докторскую диссертацию «Материалы к учению об остром миэлите токсического происхождения» (1882). Ординатор в больнице святого Николая Чудотворца. В 1880—88 врач при Петербургском полицейском и городском общественных управлениях. С 1888 профессор и заведующий кафедрой душевных и нервных болезней в Варшавском, с 1894 — Казанском, с 1903 — Новороссийском университетах. С 1895 совместно с В.М. Бехтеревым редактировал ж. «Неврологический вестник». Член-корреспондент и почетный член нескольких европейских обществ по психиатрии. В эмиграции в Болгарии после 1920. Профессор Софийского университета, где в 1922—35 возглавлял психиатрическую клинику на медицинском факультете. Член правления Союза русских врачей в Болгарии. Автор первых болгарских учебников «Основы общей психопатологии» (1923) и «Основы частной психопатологии» (1925) на русском языке.

Похоронен на 94-м участке Центрального софийского кладбища, но могила утеряна.

Отец: священник. Жена: Мария (ум. 1937). Дочь: Елена (1892—1938), медик.

Библ.: Материалы для библиографии русских научных трудов за рубежом (1920—1940) / Под ред. Е.В. Спекторского. Т. 1. Белград, 1931. № 308. С. 243—244.

Соч.: Сновидение и помешательство. Варшава, 1890; Материалы к патологической анатомии душевных заболеваний. Казань, 1896; Эпилепсия в истории Европы XIX столетия. Казань, 1899; Клинические лекции по нервным болезням. Вып. 1—2. Казань, 1900—1902; Вещие сны: (Опыт научной экскурсии в область таинственного). Казань, 1908; Единъ кратъкъ очерк на психологията на децата от школната възрасть. София, 1929.

Лит.: Текутьев Ф.С. Исторический очерк кафедры и клиники душевных и нервных болезней при Военно-медицинской Академии. СПб., 1898. С. 221—223; Николай Михайлович Попов // Неврологический вестник. 1913. Т. 20, № 1. С. 1—11; Андреев В.П., Бологовский И.С. Казанский период деятельности профессора Н.М. Попова // Труды Казанского медицинского института. Казань, 1966. Т. 21. С. 156—164; Темков И., Миленков К. Проф. Николай Михайлович Попов // Неврология, психиатрия и неврохирургия. София, 1968. № 5. С. 375—384; Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия: История и культурно-просветительная работа русского зарубежья за полвека (1920—1970). Париж, 1971. С. 315; Кантарев К.Н. Спомени за двама видни представители на неврологията и психиатрията // Неврология, психиатрия и неврохирургия. София, 1982. № 6. С. 466—468; Татарский энциклопедический словарь. Казань, 1999. С. 446; Акименко М.А. Институт им. В.М.Бехтерева: от истоков до современности (1907—2007 гг.). СПб., 2007; Российское научное зарубежье: Материалы для биобиблиографического словаря. Пилотный вып. 1: Медицинские науки. XIX — первая половина ХХ в. / Авт.-сост. М.Ю. Сорокина. М., 2010. С. 171—172.