Родился 28 сентября 1916 года в селе Берёзовке Российской империи, ныне Базарно-Карабулакского района Саратовской области.
Окончил начальную школу в родном селе и железнодорожное училище в городе Волхове. Работал на железнодорожной станции в городе Петрозаводск. В 1939 году был призван в Красную Армию, окончил школу младших авиаспециалистов.
Участник советско-финляндской войны 1939-1940 годов.
С начала Великой Отечественной войны до победы над Германией сражался на Западном, Юго-Западном, Брянском, Сталинградском, Донском, Северо-Кавказском, 3-м Белорусском и 1-м Прибалтийском фронтах. Принимал участие в оборонительных боях под Смоленском, Сталинградом, в освобождении Кавказа, Украины, Белоруссии, Польши, Советской Прибалтики, разгроме врага на территории Германии. Четыре раза ранен и контужен. К июлю 1944 совершил 160 боевых вылетов на разведку и бомбардировку важных объектов в тылу врага. В воздушных боях сбил лично 4 и в группе 6 самолётов противника.
Звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» Николаю Дмитриевичу Павлову присвоено Указом Президиума Верховного Совета СССР от 26 октября 1944 года.
После войны продолжал службу в ВВС. В 1952 году окончил Военно-транспортную академию. С 1964 года полковник Павлов Н. Д. - в запасе. Жил в городе Сочи Краснодарского края. До ухода на заслуженный отдых работал в тресте «Сочиремстрой».
Умер 16 июня 2008 года. Похоронен в Сочи на «Аллее Героев».
Награждён орденами Ленина, Красного Знамени, 2 орденами Отечественной войны 1-й степени, орденом Красной Звезды, медалями «За боевые заслуги», «За оборону Сталинграда», «За оборону Кавказа» и другими медалями.