Николай Оттович Эссен родился 11 декабря 1860 года в Санкт-Петербурге в семье товарища (заместителя) министра юстиции О.В. Эссена, имевшего титул барона. В 1881 году с отличием окончил Морской корпус, а затем Николаевскую морскую академию. С 1880 по 1882 год, будучи гардемарином, находился в заграничном плавании на броненосном фрегате “Герцог Эдинбургский”. В должности артиллерийского офицера совершил на крейсере “Адмирал Корнилов” переход с Балтийского моря на Дальний Восток и прослужил там с 1892 по 1897 год. В этом же году на крейсере “Владимир Мономах” вернулся в Санкт-Петербург, после чего проходил службу в должности старшего офицера канонерской лодки “Грозящий” на Средиземноморской эскадре адмирала Скрыдлова. В 1901 году перешел на преподавательскую работу и вел цикл лекций по теоретической механике и девиации в Морском корпусе.

В декабре 1902 года назначен командиром новейшего крейсера 2-го ранга “Новик”, на котором вновь отправился на Дальний Восток. Вскоре после начала русско-японской войны 1904-05 годов по приказу вице-адмирала С.О. Макарова вступает в командование броненосцем “Севастополь”, который активно участвовал в боевых действиях на протяжении всей обороны Порт-Артура и одним из последних был затоплен перед сдачей города японцам.

После окончания войны Н.О. Эссен вернулся в Петербург, занимал различные должности в Морском штабе и находился на преподавательской работе. В 1906-08 годах выполнял обязанности начальника 1-й минной дивизии Балтийского флота, которую превратил в своеобразную школу мастерства, через которую прошли многие офицеры флота. В декабре 1909 года его назначают начальником Морских сил на Балтике, а с мая 1911 года - командующим Балтийским флотом. В 1913 году Н.О. Эссен производится в адмиралы. Под непосредственным руководством Эссена разрабатывается план операций флота на случай войны, в частности, создается система минно-артиллерийских позиций в Финском заливе, решаются вопросы взаимодействия флота с сухопутными войсками. План был осуществлен в первые дни первой мировой войны, что принесло значительные потери германскому флоту.

Отдавая всего себя делу, Эссен мало заботился о своем здоровье. Заболев воспалением легких, адмирал скончался 7 мая 1915 года в Ревеле. Похоронен Н.О. Эссен на кладбище Новодевичьего монастыря в Санкт-Петербурге.