В 1923 году Николай Антонович оканчивает МВТУ с дипломом инженера-механика. Через несколько лет стажируется в нескольких странах Европы.
К моменту встречи с выдающимся физиком Игорем Васильевичем Курчатовым, в 1946 году, Николай Доллежаль уже имеет большой опыт в теплоэнергетике, компрессоростроении, химической промышленности.
Однако встреча с «отцом» советской атомной бомбы становится определяющей в жизни Николая Антоновича. Ученого привлекают к атомному проекту СССР. С тех пор главным делом конструктора становится работа над ядерными реакторами. Николай Антонович внес большой вклад в развитие отечественной атомной энергетики.