Меншуткин Николай Александрович учился на реальном отделении Главного немецкого училища Петришуле с 1853 по 1857 год. Окончил естественное отделение физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета (1862). В 1863—1865 гг. стажировался в Германии и Франции (в Тюбингенском университете у А. Штреккера, в парижской Высшей медицинской школе у Ш.А. Вюрца, в Магбургском университете у А.В.Г. Кольбе). С 1865 по 1902 г. преподавал в Санкт-Петербургском университете с 1869 — профессор; в 1902—1907 гг. — профессор Петербургского политехнического института.

Был одним из инициаторов основания в 1868 г. Русского химического общества (наряду с А.А. Воскресенским, Н.Н. Зининым и Д.И. Менделеевым), был его делопроизводителем (1868—1891) и первым редактором «Журнала РХО» (1869—1900). В марте 1869 г. на заседании Русского химического общества Меншуткин доложил от имени Менделеева его Периодический закон — периодическую систему элементов.

Научные работы Меншуткина относятся преимущественно к органической и физической химии. В 1866 г. в своей магистерской диссертации «О водороде фосфористой кислоты, неспособном к замещению металлом» впервые применил принципы структурной химии для определения строения неорганических соединений. Основное направление работ Меншуткина — исследование скорости химических превращений органических соединений; особый интерес представляют его работы в области этерификации спиртов и омыления эфиров. С 1877 по 1897 гг. Меншуткин установил ряд структурно-кинетических закономерностей, устанавливающих влияние строения спиртов и карбоновых кислот на скорость и предел реакции этерификации. В 1877—1879 гг. им было установлено, что легче всего этерифицируются первичные спирты, а наиболее трудно — третичные; Меншуткин также показал, что эти результаты применимы в качестве критерия для разграничения изомерных первичных, вторичных и третичных спиртов. Изучая разложение третичного амилацетата при нагревании, Меншуткин в 1882 г. обнаружил, что один из продуктов реакции (уксусная кислота) ускоряет её; это стало классическим примером автокатализа. Обнаружил влияние разбавления на скорость реакции. Эти работы Меншуткина легли в основу классической химической кинетики.

В 1886—1889 гг. Меншуткин установил влияние природы растворителя и температуры на процессы образования и разложения аминов и амидов кислот. В 1890 г. открыл реакцию алкилирования третичных аминов алкилгалогенидами с образованием четвертичных аммониевых солей (реакция Меншуткина), установил каталитическое действие растворителей в реакциях этерификации и солеобразования.

Стал инициатором преподавания аналитической химии как самостоятельной дисциплины. Написал учебник «Аналитическая химия» (1871), выдержавший 16 изданий (16-е изд. 1931); автор первого в России оригинального труда по истории химии «Очерк развития химических воззрений» (1888). Под руководством Меншуткина были построены и оборудованы химические лаборатории Петербургского университета (1890—1894) и политехнического института (1901—1902).

За свои работы по химической кинетике в 1904 г. был удостоен Ломоносовской премии.