Автор картин на жанровые и батальные сюжеты, портретист. Исполнил рисунки и офорты по мотивам произведений русских писателей А.С. Пушкина, Н.А. Некрасова, И.С. Тургенева. В 1856-1863 гг. учился в Академии художеств у Ф.А. Бруни. Медали: в 1856 г. – малая и большая серебряные за рисунок с натуры, в 1857 г. – малая серебряная за этюд с натуры, в 1858 г. – большая серебряная за этюд с натуры. В 1860 г. – малая золотая медаль за программу «Олимпийские игры. Женщина привела своего сына на бой». Дважды конкурировал на большую золотую медаль: в 1861 г. – по программе «Великая княгиня Софья Витовтовна на свадьбе великого князя Василия Темного», в 1862 г. – по программе «Стрелецкий бунт». В 1863 г. в числе 14 учеников, отказавшихся от участия в конкурсе на большую золотую медаль, вышел из АХ со званием классного художника 2-й степени. Член Санкт-Петербургской артели художников (до 1870), возглавляемой И.Н. Крамским. В 1869-1970 гг. путешествовал по Кавказу с великим князем Николаем Николаевичем. В 1871-1873 гг. – пенсионер АХ в Германии. В 1877-18884 гг. жил во Франции, посетил Бельгию и Болгарию. В 1883 г. – звание профессора батальной живописи.
Лит.: Путь к мастерству. Европейское и русское искусство XV - начала XX века. / Авт. сост. Алексеева А.Н., Богдан В.-И. Т., Иванова Е.Б., Кондратенко Л.И., Конькова Г.И., Плюснина Е.А., Савинова Е.А., Целищева Л.Н., Чурилова Е.Б. СПб.: Изд-во «Золотой век». 2007; Матафонов В.С. Николай Дмитриевич Дмитриев-Оренбургский. 1837-1898 / В сб. Русское искусство. Очерки о жизни и творчестве художников. II половина XIX в. Т. 1. М.: 1962. С. 103-114; Нечто по поводу смрети Н.Д. Дмитриева-Оренбургского // Искусство и художественная промышленность. 1899. № 4-5. С. 405-406.