Родился 6 декабря 1870 г. (24 ноября по старому стилю) в местечке Креславка Витебской губернии Российской империи (ныне г. Краслава, Латвия) в многодетной дворянской семье. Его отец - Онуфрий Иванович, служил в уездной полиции, был православным, мать - Аделаида Антоновна (урожденная Пржиленцкая), польского происхождения, принадлежала к католической церкви. При этом семья считала себя русской.
С 1881 г. Николай Лосский учился в Витебской классической гимназии, откуда в 1887 г. был исключен "за пропаганду социализма и атеизма" без права поступления в другие учебные заведения. В 1888-1889 гг. посещал лекции на философском факультете Бернского университета в Швейцарии. В 1891 г. по ходатайству родственников Николаю Лосскому было разрешено сдать гимназические экзамены на получение аттестата зрелости. В 1895 г. он окончил естественное отделение физико-математического факультета, в 1898 г. - историко-филологический факультет Санкт-Петербургского Императорского университета.
В 1903 г. в Санкт-Петербургском университете защитил магистерскую диссертацию "Основные учения психологии с точки зрения волюнтаризма", в 1907 г. в Московском Императорском университете – докторскую диссертацию "Обоснование мистического эмпиризма".
После исключения из гимназии в 1887 г. Николай Лосский выехал в Европу. В 1889 г. завербовался во французский Иностранный легион, несколько месяцев служил в Алжире. В том же году вернулся в Россию. В годы учебы в университете зарабатывал переводами произведений западноевропейских философов.
С 1900 г. - приват-доцент, с 1916 г. – экстраординарный профессор кафедры философии Санкт-Петербургского университета. В 1901-1903 гг. находился в научной командировке в Германии и Голландии, где помимо стажировки у ряда немецких философов проходил практику по экспериментальной психологии.
В 1903 г. на основе своей магистерской диссертации написал книгу "Обоснование интуитивизма", которая принесла ему известность.
К середине 1900 г. Николай Лосский пересмотрел свое юношеское увлечение социалистическими идеями, в дальнейшем был сторонником либерализма и парламентского строя. В 1900-х гг. активно занимался общественно-политической деятельностью, был членом Союза приват-доцентов, лаборантов и ассистентов, работал в секции Академического союза по разработке новых университетских уставов.
В 1905 г. вступил в Партию народной свободы (конституционно-демократическую). Оставался ее членом вплоть до запрета организации большевиками в ноябре 1917 г.
В 1907 г. перевел с немецкого языка "Критику чистого разума" Иммануила Канта. В том же году стал соучредителем (с 1914 г. – членом правления) Санкт-Петербургского религиозно-философского общества (его участниками были философы, писатели и общественные деятели Василий Розанов, Николай Бердяев, Семен Франк, Петр Струве, Дмитрий Мережковский и др.).
Во второй половине 1900-х – 1910-х гг., помимо Петербургского университета, Николай Лосский преподавал на Бестужевских высших женских курсах, в Психоневрологическом и Женском педагогическом институтах, на историко-литературных курсах и в ряде гимназий.
С 1909 г. работал над книгой "Мир как органическое целое" (опубликована в 1917 г.), в которой были изложены основные принципы его философской концепции.
В годы Первой мировой войны философ пересмотрел свое отношение к религии, отказавшись от атеизма, он постепенно вернулся в православную церковь, став апологетом христианского вероучения.
Николай Лосский отрицательно оценивал как Февральскую, так и Октябрьскую революции 1917 г.
В 1919-1921 гг. преподавал в Петроградском богословском институте.
В 1921 г. за публичную защиту православных догматов Николай Лосский был уволен из Петроградского университета. В 1922 г. вместе с Эрнестом Радловым издавал философский журнал "Мысль", который был запрещен советскими властями после выхода третьего номера.
18 августа 1922 г. был арестован, 16 ноября 1922 г. - принудительно выслан из Советской России в ходе организованной лидером большевиков Владимиром Лениным (Ульяновым) кампании по внесудебной депортации представителей научной интеллигенции, критически высказывавшихся о марксизме и советской власти (всего родину были вынуждены покинуть около 300 человек). Позднее рейсы пассажирских судов "Обербургомистр Хакен" и "Пруссия", на которых из Петрограда в Германию были высланы философы и социологи с мировым именем, получили собирательное название "философского парохода". Кроме Лосского, пассажирами этих рейсов были Николай Бердяев, Сергей Булгаков, Иван Ильин, Лев Карсавин, Питирим Сорокин, Сергей Трубецкой, Семен Франк и др.
В 1922-1942 г. Николай Лосский проживал в Праге (Чехословакия), где преподавал на Русском юридическом факультете, в Русском педагогическом институте им. Яна Амоса Коменского и Русском народном университете. Также был приглашенным лектором в Народном университете и Королевском колледже Лондонского университета (1923), в Русском народном университете в Париже (1924), в Свято-Сергиевском богословском институте и Франко-русском институте (1927-1928), Русском научном институте в Белграде (1928), Стэнфордском университете (1933), в университете Брно (1936), Карловом университете в Праге (1937-1939). До 1930 г. был личным стипендиатом президента Чехословакии Томаша Масарика. В 1931 г. в Париже была издана книга Лосского "Ценность и бытие. Бог и Царство Божие как основа ценностей".
В 1942-1945 гг. - профессор Братиславского университета в Словакии. В 1945 г. жил во Франции.
В 1946 г. Николай Лосский переехал к младшему сыну в США. С 1947 по 1950 г. читал лекции в Свято-Владимирской духовной семинарии (штат Нью-Йорк), был профессором этого учебного заведения. С 1950 г. жил в Лос-Анджелесе.
В 1951 г. завершил работу над "Историей русской философии" (в том же году книга вышла на английском языке, в 1991 г. издана на русском языке). В 1953 г. была опубликована работа "Достоевский и его христианское миропонимание".
В 1952 г. получил гражданство США.
С 1961 г., после значительного ухудшения здоровья, жил в Русском старческом доме в Сент-Женевьев-де-Буа близ Парижа.
Николай Лосский скончался 24 января 1965 г. и был похоронен на кладбище Сент-Женевьев-де-Буа.
Автор книг "Материя в системе органического мировоззрения" (1916), "Логика. Ч. I-II" (1923), "Типы мировоззрений. Введение в метафизику" (1931), "Чувственная, интеллектуальная и мистическая интуиция" (1938), "Условия абсолютного добра (основы этики)" (1949), "Общедоступное введение в философию" (1956), "Характер русского народа" (1957), "Воспоминания. Жизнь и философский путь" (1968). Основные работы Николая Лосского переведены на английский, немецкий и французский языки.
Был женат с 1902 г., имел трех сыновей и дочь. Супруга - Людмила Владимировна (урожденная Стоюнина, 1875-1943), выпускница историко-филологического отделения Бестужевских высших женских курсов, до 1918 г. преподавала в частной женской гимназии своей матери. Дочь Мария скончалась в 1918 г. в возрасте 10 лет. Сыновья: Владимир (1903-1958), православный богослов, историк церкви; Борис (1905-2001), историк искусства; Андрей (1917-1997), историк-медиевист.