После окончания Плехановского института народного хозяйства Николай Павлов поступил в аспирантуру при кафедре прикладной механики. В 1938 году он был призван в органы МВД, в которых прослужил до 1946 года. Его карьера развивалась довольно быстро и успешно: начинал оперуполномоченным, а с 1943 по 1946 год занимал уже высокий пост начальника управления МВД Саратовской области. За этот период результаты служебной деятельности Павлова были отмечены орденом Отечественной войны I степени, двумя орденами Красной Звезды, орденом «Знак Почета», медалями «За отвагу» и «За оборону Москвы». В 1945 году он стал одним из самых молодых генералов в стране: ему тогда был 31 год.
     В 1946 году Николая Ивановича привлекают к работе в советском «атомном проекте», и этому делу он отдал сорок с лишним лет своей жизни. Павлов начинает работать в аппарате уполномоченных Совета Министров СССР, входя в курс многих важных вопросов по созданию отечественного ядерного оружия. Николай Иванович был одним из шести специалистов, присутствовавших при пуске И. Курчатовым первого в Европе атомного реактора в декабре 1946 года. По роду деятельности Павлов был тесно связан не только с И. Курчатовым, но и с Ю. Харитоном, А. Сахаровым, Г. Флеровым, И. Кикоиным и многими другими выдающимися учеными.
     В 1949 году Н. Павлов был назначен заместителем начальника Первого главного управления (ПГУ), которое отвечало за разработку ядерных боеприпасов. В следующем году он стал уже первым заместителем начальника ПГУ и одним из ключевых руководителей «атомного проекта». С 1955 по 1964 год Николай Иванович возглавлял Главное управление опытных конструкций (ГУОК) Министерства среднего машиностроения (ныне Управление разработки и испытаний ядерных боеприпасов Росатома). Талантливый организатор, он за короткое время сумел создать целую структуру, состоящую из ряда НИИ, сформулировать цели и принципы их работы и взаимодействия. Созданная при его активном участии схема функционирования институтов-разработчиков ядерных боеприпасов и приборов, обеспечивающих их испытания, была настолько удачна, что без принципиальных изменений действует до настоящего времени.
     Павлов обеспечивал тесные контакты с серийными предприятиями, выпускающими ядерные боеприпасы (ЯБП), что позволило создать единую цепочку их разработки и выпуска, сформировать облик ядерно-оружейного комплекса СССР, обеспечившего паритет в гонке вооружений, развернувшейся между СССР и США во второй половине ХХ столетия. Павлов – организатор и непосредственный руководитель большого количества ядерных испытаний, в том числе испытания самой мощной в истории 50-мегатонной бомбы, которое было проведено на Новоземельском полигоне в 1961 году.
     Прекрасный психолог, Николай Иванович немало способствовал тому, что в руководимых им организациях сформировались сильные, конкурентоспособные, творческие коллективы, возглавляемые талантливыми лидерами, способными ставить перед собой научно-конструкторские задачи, опережавшие требования времени, и добиваться их реализации.
     В 1956 году Павлов стал Героем Социалистического Труда, в 1962 году удостоился Ленинской премии. В период с 1949 по 1964 год Николай Иванович был трижды награжден орденом Ленина, получил звание генерал-лейтенанта.
     В 1964 году Павлова назначили директором Всероссийского научно-исследовательского института автоматики – предприятия, входящего в ядерно-оружейный комплекс Минатома России и являющегося одним из трех разработчиков ядерных боеприпасов страны. Деятельность Николая Ивановича во главе ВНИИА продолжалась без малого четверть века, вплоть до его ухода на пенсию в 1987 году. Это был период большой и плодотворной работы, когда Николай Иванович в полной мере реализовал накопленный в предыдущие годы колоссальный опыт и многогранный талант организатора. При нем произошло коренное изменение структуры института, создание наряду с передовыми научно-исследовательскими и конструкторскими подразделениями современной инфраструктуры НИИ, обеспечивающей его непрерывное развитие.
     Под его руководством ВНИИА разработал и передал на вооружение большое количество типов ядерных боеприпасов и стал ведущей организацией по созданию ЯБП для стратегических крылатых ракет, а также для нестратегического ядерного оружия ВВС и ВМФ.
     В тот период институту удалось решить задачу кардинального повышения безопасности ядерного оружия, обеспечить научно-технический прорыв в создании нейтронных источников. Многие достижения тех лет не утратили значения до настоящего времени. ВНИИА создал уникальную унифицированную контрольно-измерительную аппаратуру, применяемую для всех типов ЯБП, создаваемых в отрасли, а также стал одним из основных разработчиков устройств систем предохранения и пуска, бортовых измерительных систем ЯБП.
     Существенно увеличилась территория института, были построены новые производственные корпуса, климатическая испытательная база, жилые дома для сотрудников. Произошло радикальное обновление производственной, технологической и испытательной базы ВНИИА, был создан современный вычислительный центр института. В поле зрения генерала Павлова всегда были вопросы кадрового обеспечения. Во многом благодаря его усилиям было создано специальное профтехучилище, одно из лучших в Москве, оснащенное самым современным оборудованием.
     Заслуги Павлова на посту директора ВНИИА были отмечены орденами Трудового Красного Знамени и Октябрьской Революции, многими медалями.
     Умер Николай Иванович 19 марта 1990 года. В памяти всех, кто знал его, он остался талантливым человеком, прирожденным организатором, умевшим за всяким управленческим решением видеть не только сиюминутные выгоды, но и отдаленные последствия. Павлов, без сомнения, принадлежит к числу тех наших соотечественников, чья научная и техническая деятельность имела определяющее значение для укрепления оборонной мощи страны. Окидывая взглядом историю ВНИИА и атомной отрасли в целом, переоценить ту роль, которую было суждено сыграть Николаю Ивановичу Павлову, невозможно. Память о таких людях должна вдохновлять потомков.