В 1915 году будущий актер поступил в Школу драматического искусства при Художественном театре. Вскоре школа закрылась, однако несколько лучших учеников, в том числе А. Зуеву, А. Тарасову, Е. Телешеву и Н. Баталова, весной 1916 года приняли в театр в качестве сотрудников.

Осенью того же года Баталов стал артистом Второй студии МХТ. Первая роль Баталова Петя в спектакле по пьесе Зинаиды Гиппиус «Зеленое кольцо» (1916).

В 1924 году Баталов снялся в своем первом кинофильме – «Аэлита» по роману А. Толстого (режиссер Я. Протазанов), в роли красноармейца Гусева. Жизнерадостный, неунывающий Гусев участвовал в экспедиции на Марс и поднимал там восстание рабов. Критики отмечали, что на условном, абстрактном фоне фантастического действа герой Баталова был единственным живым, достоверным персонажем. Газеты писали: «Картину спасает красноармеец Гусев в отличном исполнении Баталова. Баталов и Орлова дают единственные в ленте сочные русские типы».

Ролью, принесшей Николаю Баталову мировую известность, стал Павел Власов в фильме В. Пудовкина «Мать» (1926). Другой, не менее известной ролью, стала роль Николая в фильме Абрама Рома «Третья Мещанская», которую он исполнил в 1927 году. В том же году, Баталов исполнил одну из главных ролей в популярной драме Федора Оцепа «Земля в плену».

В 1931 году Баталов снялся в первом советском звуковом фильме «Путевка в жизнь», где исполнил роль начальника коммуны Николая Ивановича Сергеева.

Одной из последних работ Николая Баталова в кино стала роль начальника лесосплава Захара Лациса в фильме С. Тимошенко «Три товарища» (1935). В 1937 году Баталова не стало. Он скончался от туберкулеза и был похоронен на Новодевичьем кладбище.