Демьянов Николай Яковлевич родился 15 (27) марта 1861 г. в г. Твери. После смерти отца, последовавшей в 1864 г., жил с матерью в Тверской губернии, где и получил первоначальное домашнее образование. В 11 лет был отдан в 4-ю Московскую гимназию, где обучался до 8-го класса. В гимназии интересовался, преимущественно, математикой и физикой. Экзамен зрелости сдал экстерном при Тверской гимназии весной 1882 г.

Осенью 1882 г. Н. Демьянов поступил на естественное отделение физико-математического факультета Московского университета, имея уже сложившееся намерение посвятить себя изучению химии. Надо отметить, что Московский университет в то время переживал период относительного благополучия, углубления и развертывания научной работы. Ряд кафедр на естественном отделении возглавлялся крупными учеными, имевшими мировое имя. Немногочисленность состава слушателей на естественном отделении – на старших курсах в эти годы числилось всего по 14-15 студентов,- способствовала близкому общению студентов с профессорами и благоприятствовала углублению в серьезную работу. В Университете Н.Я. Демьянов слушал курсы лекций по неорганической химии у профессора А.П. Сабанеева, по органической химии – у профессора В.В. Морковникова, по технической – у И.И. Канонникова, по агрономической – у Н.Е. Лясковского, по физической – у приват-доцента И.А. Каблукова. Лекции по физике читали профессора Н.А. Любимов и А.Г. Столетов, по физиологии растений – профессор К.А. Тимирязев. Свою первую научную работу Н. Демьянов сделал под руководством В.В. Марковникова на III и IV курсах университета – «Об окислении оксимасляной кислоты» и в октябре 1886 г. напечатал о ней краткое сообщение.

Осенью 1886 г. Н.Я. Демьянов получил предложение от профессора В.В. Марковникова занять место ассистента в его лаборатории, но Демьянов, отказавшись от предложения, предпочел продолжить свое химическое образование. В течение года он в качестве вольнослушателя занимался технической химией у профессора Н.Н. Любавина и работал в лаборатории агрономической химии профессора Н.Е. Лясковского, где изучал методы агрономического анализа и экспериментально работал над декстринами. На тему о декстринах Н.Я. Демьянов представил кандидатское сочинение.

В июне 1887 г. Н.Я. Демьянов поступил ассистентом в Петровскую сельскохозяйственную академию на должность ассистента по аналитической химии при кафедре, занимаемой профессором Э.Б. Шене. Демьянов руководил качественным, количественным и агрономическим анализом и ассистировал на лекциях по аналитической химии. В свободное от учебных занятий время, Демьянов вел научную работу сначала совместно с профессором Г.Г. Густавсоном – одним из крупнейших химиков-органиков того времени. Это сотрудничество в значительной мере определило дальнейшую самостоятельную научную деятельность Н.Я. Демьянова, направленную, главным образом, на разработку способов получения и исследование свойств простейших циклических углеводородов и их производных. После ухода Густавсона из Академии, по предложению руководства Н.Я. Демьянов читал вместо него курс органической химии.

Магистерский экзамен Н.Я. Демьянов выдержал в 1893 г. при Петербургском университете. Магистерскую диссертацию на тему "О действии азотистой кислоты на три-, тетра- и пентаметилендиамины и о метилтриметилене" защитил там же в 1895 г. За эту работу от Московского общества любителей естествознания Демьянов получил премию имени В.П. Мошнина (300 рублей).

В 1894 г. на премию, полученную от Московского общества любителей естествознания, Н.Я. Демьянов совершил свою первую заграничную поездку. В ту поездку Демьянов посетил только Германию. Но проезжая через Варшаву (Польша), Николай Яковлевич имел продолжительную беседу на научные темы с профессором Варшавского университета крупным химиком-органиком Е.Е. Вагнером. В Берлине Демьянов посетил ряд крупнейших лабораторий, побывал на лекциях выдающихся ученых, работавших в то время в Берлинском университете – Ландольта и Э. Фишера, посетил также лаборатории Либермана, Габриеля. В Лейпциге дружеский прием был оказан Демьянову Н.Я. Вислиценусом, с которым он имел продолжительную беседу по вопросу о действии азотистой кислоты. В Галле Николай Яковлевич познакомился с видными представителями агрономической химии Штоманом и Кюном. В Висбадене Демьянов посетил аналитическую лабораторию Фрезениуса, а в Берне побывал на лекциях А. Кекуле.

С открытием в 1894 г. Московского сельскохозяйственного института Николай Яковлевич был назначен исполняющим должность экстраординарного профессора по органической химии и сельскохозяйственному анализу. В первые годы он читал курс агрономической химии для слушателей института, окончивших Университет. В числе лиц, слушавших курс органической химии, были В.С. Буткевич и А.Н. Лебедев, позже выполнившие в лаборатории Н.Я. Демьянова исследования из области химии растений.

Курс органической химии, который Демьянов в дальнейшем систематически читал в продолжение всей своей работы в институте (и академии), вылился в законченную оригинальную форму курса с биологическим уклоном, соответствующим характеру агрономической школы. Этот курс, стенографически записанный студентом И. Странским (болгарином по национальности, впоследствии занимавшим кафедру органической химии в Университете в Белграде), был издан основным пособием для изучения органической химии для высшей школы.

Кроме основного курса органической химии, Николай Яковлевич читал в разное время ряд других курсов, как, например, избранные главы агрономической химии, раздел, посвященный азотистым гетероциклам и алкалоидам (конспект этих лекций был издан в 1924 г. отдельной книжной), затем в течение ряда лет курс под заглавием «Физико-химические основы биологической химии».

В 1899 г. Н.Я. Демьянов защитил при Московском университете диссертацию на степень доктора химии на тему "О действии азотного ангидрида и азотноватой окиси на углеводороды этиленового ряда". Вскоре после защиты Демьянов был назначен ординарным профессором.

Вся дальнейшая педагогическая и научная деятельность Н.Я. Демьянова протекала в Высшей сельскохозяйственной школе в Петровско-Разумовском. После закрытия и реорганизации Петровской академии, названной Московским сельскохозяйственным институтом, после февральской революции 1917 г. снова переименованной в Петровскую академию. В 1924 г. Петровская академия была переименована в Тимирязевскую сельскохозяйственную академию, а последняя в 1930 г., в связи с ростом числа учащихся и необходимостью готовить специалистов с более узким профилем, была разбита на ряд институтов. При этой последней реорганизации Н.Я. Демьянов остался работать в Московском институте агрохимии и почвоведения, организованном на базе Агрохимического факультета Тимирязевской сельскохозяйственной академии.

В 1900 г. Н.Я. Демьянов вновь едет в заграничную командировку, на этот раз она была связана с Международным конгрессом по химии в Париже (Франция). На конгрессе Демьянов познакомился с профессором Меноцци из Милана и рядом других ученых

В 1902-1903 гг. Н.Я. Демьяновым была открыта реакция изомеризации алициклических соединений с увеличением цикла (перегруппировка Демьянова), которая затем вошла во все учебники органической химии и имела как теоретическое (для изучения динамики химических превращений и стереохимии), так и важное практическое значение (позволяла синтезировать соединения, трудно доступные другими способами). Позднее (в 1920-е гг.) Н.Я. Демьянов доказал, что в результате изомеризации алициклов в зависимости от природы заместителей возможны перегруппировки, как с расширением, так и с сужением цикла.

В течение десяти лет (1907-1917 гг.) Н.Я. Демьянов читал на Голицынских женских сельскохозяйственных курсах органическую химию и введение в неорганическую химию. С открытием рабфака при Тимирязевской сельскохозяйственной академии Демьянов участвовал в организации на нем преподавания химии, лично читал на нем общую и неорганическую химию.

В 1908 г. состоялась еще одна заграничная командировка Н.Я. Демьянова в Германию и Швейцарию для ознакомления с методами получения азотной кислоты из воздуха. Эту поездку Демьянов использовал, одновременно, и для установления личных связей с зарубежными учеными. Так, в Лейпциге он посетил лабораторию крупнейшего физика-химика В. Освальда. В Швейцарии (в Монтрё) Николай Яковлевич посетил частную лабораторию русского ученого В.Ф. Лугинина, в которой Демьянов познакомился с методикой термохимии. Лугинин дал Демьянову рекомендацию к Филиппу Ги, известному химику из Женевы, специалисту по вопросам синтетического получения азотной кислоты из воздуха.

В годы I Мировой войны в лаборатории органической химии Московского сельскохозяйственного института под руководством Н.Я. Демьянова и при ближайшем участии профессора В.М. Фишера и Н.И. Гаврилова велась разработка методов синтеза лекарственных веществ, и уже тогда Сокольнический земский фармацевтический завод начал выпускать новокаин по методу, разработанному Демьяновым.

6 декабря 1924 г. Николай Яковлевич Демьянов был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР по Отделению физико-математических наук (по разряду физических наук), а 12 января 1929 г. Демьянов избирается действительным членом (академиком) АН СССР по Отделению физико-математических наук (по специальности – химия).

Основные исследования Николая Яковлевича Демьянова в эти годы были посвящены проблемам органической химии. Но в то же время Демьянов уделял большое внимание и вопросам агрономической химии, химии растительных веществ, исследовал азотсодержащие органические соединения. Он курировал эти темы, руководя работами своих учеников и сотрудников, занимавшихся разработкой прикладных вопросов. К таким темам относятся исследования В.С. Буткевича об эмульсине и А.Н. Лебедева по проверке работы Лилиенфельда. Затем работы А.Г. Дояренко о формах азота в органическом веществе почв и Я.П. Королева по вопросу о формах фосфорной кислоты в почвах, работы Н.М. Тулайкова, И.С. Яичникова и Кочергина по исследованию жирных растительных масел, работы Н.Д. Прянишникова по вопросам сельскохозяйственного анализа. Начиная с 1925 г., Н.Я. Демьянов уделял большое внимание изучению эфирных масел растений и совместно с учениками, В.В. Вильямсом и В.И. Ниловым, был опубликован ряд работ по исследованию природы различных эфирных масел.

С 1935 г. Николай Яковлевич Демьянов заведовал лабораторией Института органической химии АН СССР.

Интерес Н.Я. Демьянова к вопросам агрономической химии и химии растительных веществ выразился также в составлении им, частью совместно с сотрудниками, ряда руководств, посвященных этим вопросам. Так, в руководстве по сельскохозяйственному анализу, составленном совместно с В.И. Виноградовым и М.А. Егоровым, где Н.Я. Демьянову принадлежит раздел, посвященный анализу растений. Позднее (1923 г.) этот раздел, в переработанном виде, был издан в форме отдельной книги под заглавием «Общие приемы анализа растительных веществ». Совместно с Н.Д. Прянишниковым было составлено руководство по химии и анализу жиров и восков (1-е издание 1925 г., 3-е – 1932 г.). Совместно с Н.И. Путохиным было составлено руководство по биохимическому практикуму (1927 г.), совместно с В.И. Ниловым и В.В. Вильямсом – руководство по химии и исследованию эфирных масел, совместно с В.В. Феофилактовым – руководство по химии растений.

Николай Яковлевич Демьянов создал одну из крупнейших в стране школу химиков-органиков, отличавшуюся широким профилем и связью с агрономией и биологией. Среди его учеников: В.С. Буткевич, А.Н. Лебедев, М.А. Егоров, В.В. Вильямс, Н.В. Вильямс, В.В. Феофилактов, Н.Д. Прянишников, В.И. Нилов, Т.В. Рындин, И.С. Яичников и многие другие.

Работы Н.Я. Демьянова хорошо знали и высоко оценивали видные зарубежные ученые, работавшие в этой области (Л. Ружичка, У. Перкин-мл., О. Валлах, Г. Виланд).

Николай Яковлевич Демьянов внес колоссальный вклад в органическую химию. Демьянов разработал общий метод получения нормальных предельных гликолей, непредельных алкоголей и изомерных им окисей g- и d-рядов. Выяснил, что при действии N2O5 на непредельные углеводороды получаются азотные эфиры гликолей, а также продукты присоединения N2O3, N2O4 и N2O5. Открыл реакцию изомеризации алициклических соединений с увеличением цикла (перегруппировка Демьянова), вошедшую затем во все учебники органической химии и имевшую как теоретическое (для изучения динамики химических превращений и стереохимии), так и важное практическое значение (позволяла синтезировать соединения, трудно доступные другими способами). Демьянов показал, что в результате изомеризации алициклов в зависимости от природы заместителей возможны перегруппировки как с расширением, так и с сужением цикла. Он впервые получил и подробно изучил метилциклопропан.

Научная деятельность Н.Я. Демьянова нашла высокую оценку, выразившуюся в присуждении ему премий: имени Мошнина, большой премии имени А.М. Бутлерова (1926) и Ленинской премии (1930).

Николай Яковлевич Демьянов состоял членом Российского физико-химического общества, а также Немецкого (с 1888) и Французского (1913) химических обществ.

Умер Николай Яковлевич Демьянов 19 марта 1938 г. в Москве.