Родился в 1876 году в Вологде в семье офицера. Как и отец, он избрал для себя военную профессию. Закончил Николаевское инженерное училище в Санкт-Петербурге. Окончил Николаевскую академию генштаба (1907; по 1-му разряду), был причислен к генеральному штабу.
Участник русско-японской и Первой мировой войн. В Русской императорской армии был командиром полка, начальником штаба дивизии и корпуса. В 1916 году занимал должность начальника отделения управления генерал-квартирмейстера штаба армии, генерального штаба полковник. В 1917 году исполнял должность генерал-квартирмейстера Юго-Западного фронта.
С первых дней Октябрьской революции Петин перешел на сторону большевиков и с тех пор служил Республике Советов. Когда в августе 1918 года в Архангельске высадились англичане, Реввоенсовет назначил его на пост начальника штаба VI Армии. Под руководством Петина была разработана и проведена Шенкурская операция. Её итогом стало освобождение г. Шенкурска и поражение интервентов, что создало благоприятные предпосылки для установления на Севере России советской власти. В мае 1919 назначен начальником штаба Западного фронта.
22 декабря 1920 приказом № 18 командующего Вооружёнными Силами Украины и Крыма Полевое управление Юго-Западного фронтаи управление КиевВО сливаются в новое управление КиевВО. Командующим войсками округа назначен Егоров А.И., начальником штаба назначен Петин Н.Н. В апреле-ноябре 1921 Петин Н.Н. был командующим войсками Киевского военного округа.
В 1921 году награждён орденом Красного знамени за «талантливую разработку всех оперативных соображений в должности начальника штаба фронта».
С мая 1930 назначен инспектором инженерных войск РККА. Под руководством Петина в пограничных округах на Дальнем востоке шло строительство дорог и военно-морских баз, объектов береговой обороны.
С декабря 1934 года начальник Инженерного управления РККА. Н. Н. Петин расстрелян 7 октября 1937 года. В 1956 году реабилитирован.