Николай Младенов е роден на 5 май 1972 г. Той е син и внук на активни борци против фашизма и капитализма. Баща му Евтим Младенов е бил дипломат от кариерата.

Завършил е международни отношения в УНСС.

Защитил е магистърска дисертация в Кралския колеж в Лондон. Между 1996 и 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 основава Европейския институт в София и е негов директор до 2001.

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

Бил е и член на Конвента за бъдещето на Европа На 12 март 2002 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 е на поста заместник-председател на СДС, който напуска с оставката си от 16 август 2005 г.

От 2005 до 2007 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 е съветник към комисиите по отбрана и външна политика на Иракския парламент.

През 2007 година е избран за евродепутат от листата на ГЕРБ.

Избран е за депутат в НС от партия ГЕРБ през 2009 година.

През същата година става министър на отбраната в правителството на Бойко Борисов.

На 27 януари 2010 година Николай Младенов става министър на външните работи в същото правителство, на мястото на Румяна Желева, която подава оставка.