Lietuvių etnografas, religijotyrininkas, tautosakininkas.

1947–1954 m. mokėsi Laukuvos vidurinėje mokykloje, 1957–1962 m. Vilniaus universitete studijavo lietuvių kalbą ir literatūrą. 1962–1989 m. dirbo Lietuvos Mokslų akademijos Lietuvių kalbos ir literatūros institute. 1984 m. paskirtas Tarybų Lietuvos enciklopedijos moksliniu konsultantu. Daugelį metų dėstė tautosakos kursą Šiaulių universitete, vadovavo studentų tautosakos praktikai, dėstė lietuvių etninės kultūros įvado ir mitologijos kursus Vytauto Didžiojo ir Vilniaus universitetuose, Muzikos ir Dailės akademijose. 1989 m. apsigynė daktaro disertaciją „Chtoniškasis lietuvių mitologijos pasaulis“. Nuo 1990 m. buvo Lietuvių literatūros ir tautosakos instituto vyriausiasis mokslinis bendradarbis. Vytauto Didžiojo universitete Kaune nuo 1989 m. dirbo Antropologijos, o vėliau Etnologijos ir folkloristikos katedros vedėju. 1989 m. vyko į JAV susipažinti su ten esančiais lietuvių tautosakos rinkiniais ir dalyvauti Čikagos VI meno ir mokslo simpoziume, kur skaitė pranešimą „Lietuvių etninė kultūra Vytauto Didžiojo universitete“. 1992 m. jam suteiktas profesoriaus vardas.

N. Vėlius aktyviai dalyvavo Kraštotyros draugijos veikloje, organizavo ekspedicijas, nuo pirmųjų studijų universitete metų rinko ir užrašinėjo tautosaką ne tik Lietuvoje, bet ir pas Rusijos, Baltarusijos, Lenkijos lietuvius. Surinko per 30 000 lietuvių tautosakos vienetų.

Parašė daug knygų tautosakos, religijotyros temomis: „Mitinės lietuvių sakmių būtybės“ (1977), „Laumių dovanos“ (1979), „Senovės baltų pasaulėžiūra“ (1983), „Chtoniškasis lietuvių mitologijos pasaulis“ (1987), „Baltų religijos ir mitologijos šaltiniai“ (4 tomai, 1996–2005).
Sudarė daug tautosakos ir mitologijos rinkinių: „Lietuvių tautosaka“ (1967), „Senelių pasakos“ (1972), „Šiaurės Lietuvos pasakos“ (1974), „Laumių dovanos“ (1979), „Čiulba ulba sakalas“ (1985), „Sužeistas vėjas“ (1987).
Iš surinktos tautosakinės medžiagos su bendraautoriais parengė kraštotyros monografijų („Zervynos“ (1964), „Ignalinos kraštas“ (1966), „Dieveniškės“ (1969), „Merkinė“ (1970), „Dubingiai“ (1971), „Kernavė“ (1972), „Dubičiai“ (1989), „Gervėčiai“ (1989) ir kt.). 

Už mokslinį darbą apdovanotas Lietuvos valstybine (1989), Mato Slančiausko (1990), Jono Basanavičiaus (1993) premijomis.

Biografiją parengė Lietuvos dailės muziejaus filialo Lietuvos muziejų informacijos, skaitmeninimo ir LIMIS centras vyr. redaktorė Laura Patiomkinaitė-Čeikė.