Γεννήθηκε το 1909 στην Ύδρα αλλά μετά το τέλος του Α΄ Παγκοσμίου Πολέμου, η οικογένεια του μετακόμισε στην Αθήνα και εγκαταστάθηκε στην Πλάκα. Το 1929, ο Νικολάου έγινε δεκτός στην Ανωτάτη Σχολή Καλών Τεχνών, όπου σπούδασε ζωγραφική με δασκάλους τον Ουμβέρτο Αργυρό και τον Κωνσταντίνο Παρθένη.

Στην Ανωτάτη Σχολή Καλών Τεχνών γνώρισε την πρώτη του σύζυγο και τον ζωγράφο Γιάννη Μόραλη, με τον οποίο δημιούργησε μακροχρόνια φιλία. Παρουσίασε τα πρώτα του έργα το 1932 στην έκθεση των μαθητών της Σχολής Καλών Τεχνών. Το 1935 έγινε μέλος της ομάδας «Ελεύθεροι Καλλιτέχναι» και συμμετείχε σε έκθεση που οργανώθηκε στον Παρνασσό. Παρέα με τον Μόραλη, το 1937 έφυγε για να συνεχίσει τις σπουδές του στο Παρίσι και στην Ρώμη. Ο πόλεμος του 1940 τον ανάγκασε να διακόψει τις σπουδές του και να επιστρέψει στην Αθήνα.

Μετά τον πόλεμο, ο Νικολάου αφοσιώθηκε στην ζωγραφική. Συμμετείχε στην ίδρυση και τις εκθέσεις της ομάδας «Αρμός» και το 1947 πραγματοποίησε την πρώτη ατομική του έκθεση στην αίθουσα τέχνης «Ρόμβος». Από το 1949 ανέλαβε να φιλοτεχνήσει τοιχογραφίες με την τεχνική της νωπογραφίας σε διάφορα δημόσια κτίρια, μεταξύ των οποίων στην Πάντειο Σχολή (σημερινό Πάντειο Πανεπιστήμιο).

Από το 1954 συνεργάστηκε με το Θέατρο Τέχνης του Καρόλου Κουν, για το οποίο δημιούργησε σκηνικά και κοστούμια για πολλές παραστάσεις. Το 1964 εγκαταστάθηκε στην Αίγινα μαζί με τη σύζυγο του Αγγέλα Ζουμπουλάκη, και το σπίτι του εκεί έγινε τακτικός τόπος συνάντησης φιλότεχνων και διανοούμενων. Την ίδια χρονιά, εκλέχτηκε τακτικός καθηγητής σχεδίου στην Ανωτάτη Σχολή Καλών Τεχνών, όπου δίδαξε για μία δεκαετία διατελώντας και διευθυντής της μέσα στα χρόνια της Δικτατορίας. Υπήρξε συνεργάτης του περιοδικού Νέα Εστία.

Κατά την δεκαετία του 1970, ο Νικολάου άρχισε να ζωγραφίζει με τον δικό του μοναδικό τρόπο θαλασσινά βότσαλα. Ταυτοχρόνως ασχολήθηκε με την χαρακτική και με την εικονογράφηση βιβλίων. Ασχολήθηκε επίσης με τη γλυπτική, αλλά αυτή παραμένει η λιγότερο γνωστή πλευρά του έργου του.

Πέθανε στην Αθήνα το 1986. Λίγο μετά τον θάνατό του, κυκλοφόρησε το μοναδικό του βιβλίο που τιτλοφορείται Η περιπέτεια της γραμμής στην τέχνη (Αθήνα 1986).

Έργα του Νίκου Νικολάου έχουν παρουσιαστεί σε πολλές ατομικές και ομαδικές εκθέσεις στην Ελλάδα και το εξωτερικό. Το 1936 και το 1964 εκπροσώπησε την Ελλάδα στην Μπιενάλε της Βενετίας και το 1957 στην Μπιενάλε του Σάο Πάολο. 

Το 1991 πραγματοποιήθηκε έκθεση έργων του στην Εθνική Πινακοθήκη της Ελλάδας. Την άνοιξη του 2005, το Μουσείο Μπενάκη διοργάνωσε μεγάλη αναδρομική έκθεση με έργα του Νικολάου. Η ίδια έκθεση μεταφέρθηκε λίγο αργότερα από το Ελληνικό Ίδρυμα Πολιτισμού στο Βερολίνο.

Οι πίνακές του — ιδιαιτέρως τα γυμνά και οι προσωπογραφίες — συνδυάζουν το σύγχρονο εξπρεσιονισμό με την αρχαία ελληνική και αιγυπτιακή παράδοση, την αγγειογραφία και τα Φαγιούμ. Παρομοίως λιτές και εκφραστικές είναι και οι τοπιογραφίες του. Ο ίδιος έχει γράψει σχετικά: «Τη φύση την είδα μέσα από μια ιδέα που σχημάτισα βλέποντας τους Έλληνες.

Το 2019 ο Εικαστικός Κύκλος Sianti Gallery στην έκθεση “Ομαδικό Πορτραίτο-Οι καλλιτέχνες της καρδιάς μας” παρουσίασε χαρακτικά του που σήμερα είναι συλλεκτικά.