Николай Младенов учи в държавите, където работи баща му (Сирия, Холандия). Завършва Първа английска гимназия в София. По това време участва активно в Ученическия комитет на ДКМС на гимназията.

През 1995 г. завършва УНСС, специалност "Международни отношения". На следващата година защитава магистърска степен по военни науки от Кралския колеж Лондон.

През периода 1996-1998 г. заема поста програмен директор на фондация "Отворено общество", София. Следва длъжност като програмен координатор в Социалния отдел за България на Световната банка.

През 1999 г. основава Европейския институт в София и е негов директор до 2001 г.

Народен представител от ОДС в 39-ото Народно събрание, както и парламентарен секретар до март 2002 г., заместник-председател на Комисията по европейска интеграция и член на комисията по външна политика, отбрана и сигурност.

На 12 март 2002 г. е избран за член на Националния изпълнителен съвет (НИС) на партия Съюз на демократичните сили. По-късно е назначен за говорител на партията.

От 22 февруари 2004 г. е на поста заместник-председател на СДС, който напуска с оставката си от 16 август 2005 г.

От 2005 до 2007 г. работи като консултант на Световната банка, Международния републикански институт и Националния демократически институт в България, Афганистан, Йемен и други страни от Близкия изток. През 2006 г. е съветник към парламентарните комисии по отбрана и външна политика на Иракския парламент.

В кандидатската листа на партия "ГЕРБ" за изборите за членове на Европейския парламент (ЕП) е регистриран под номер 3. Като депутат в ЕП Младенов е член на комисиите по вътрешен пазар и защита на потребителите, външна политика, подкомисията за сигурност и отбрана. Също така е първи заместник-председател на делегацията на ЕП за отношения с Ирак и член на делегациите за Израел и Афганистан.

След парламентарните избори през 2009 г., Младенов става министър на отбраната в правителството на Бойко Борисов. От 27 януари 2010 г. до края на мандата на правителството на 13 март 2013 г. Николай Младенов заема поста външен министър на мястото на подалата оставка Румяна Желева.

През август 2013 г. е назначен за специален представител на генералния секретар на ООН Пан Ки-мун за Ирак и за ръководител на мисията на ООН там.