В 1594-1595 годах Никита Вельяминов-Зернов упоминается звании царского рынды при приёмах иностранных послов.
В 1605 году Никита Дмитриевич Вельяминов-Зернов Обиняков числился разрядами чашников при царе Борисе Годунове. После победы царских воевод над Лжедмитрием в битве под Добрыничами (январь 1605) он был послан «с речью и милостивым словом» к главнокомандующему, боярину князю Фёдору Ивановичу Мстиславскому, который получил ранение в голову. Он должен был передать боярину князю Дмитрию Ивановичу Шуйскому «с товарыщи» поклон от царя и царевича Фёдора Борисовича одновременно с выговором за то, что они не сообщили царю о сражении «с литовскими людьми и с Растригою». В 1607 году — полковой воевода в Ядрине.
В 1609 году Никита Вельяминов-Зернов, находившийся на воеводстве в Костроме, был активным сторонником Лжедмитрия II, который в своей грамоте от 4 марта гетману Яну Петру Сапеге сообщал: «Писал к нам боярин наш и воевода Никита Дмитриевич Вельяминов, что пришли под Кострому изменники наши Галицкие, Вологодские, Унженские, Кологривские и Парфеньевские, а иных к себе ждут в прибавку». Тушинский вор приказал Яну Петру Сапеге отправить на выручку костромскому воеводе полковникаАлександра Лисовского. Однако эта просьба не была исполнена. Царский воеводаН. В. Вышеславцев разбил тушинское войско под Ярославлем, а 8 апреля занял сам город. Другой воевода Д. В. Жеребцов занял Кострому и осадил Никиту Вельяминова в Ипатьевском монастыре, но ещё в начале мая Н. Д. Вельяминов продолжал находиться там в осаде с небольшим количеством детей боярских. Позднее, когда король Речи Посполитой Сигизмунд III стал вести переговоры с Тушинским лагерем и переманивать на свою сторону польских и русских сторонников самозванца, Никита Вельяминов одним из первым откликнулся на посулы короля и принял участие в посольстве под Смоленск (31 января1610 года) от русских тушинцев. 30 марта того же года Никита Вельяминов получил от польского короля грамоту на вотчины в Костромском, Шацком, Мещовском, Данковском, Муромском, Углицком и Чухломскомуездах. 11/21 сентября король Речи Посполитой Сигизмунд III Ваза обратился к боярскому правительству «Семибоярщины», управлявшему Русским государством, с грамотой, приказывая им заняться устройством дел тех достойных людей, которые «преж всех» перешли на королевскую службу. Им было приказано вернуть дворы в Москве и розыскать имущество или же обеспечить жалованьем из казны. Кроме того, было велено отдать ему из вотчины князей Шуйских село Палеч в Суздальскомуезде и село Порское с деревнями во Владимирскомуезде. Вскоре под Смоленском были распределены высшие должности в управлении московскими приказами. Н. Д. Вельяминов, названный боярином, возглавил Ямской приказ.