В 1874 году, окончив академию со степенью кандидата богословия, присуждённой за диссертацию «Происхождение древнехристианской базилики»[1] с правом на получение степени магистра без нового устного испытания[2], был определён в академии на кафедру церковной археологии и литургики[1]. В 1876—1877 гг. знакомился за границей с методами преподавания этих дисциплин в европейских университетах. По итогам поездки им был разработал курс лекций по церковной археологии и литургике (опубликован в 1882—1885 годах).
Много внимания он уделял изучению оригинальных памятников церковного искусства, находящихся в древних центрах русской церковной жизни, особенно в Москве и Новгороде. Его трудами в Петербургской духовной академии собирался и устраивался Музей церковно-археологических древностей, которым он руководил с 1879 года[1].
В 1888 году посетил Константинополь, Афон, Салоники. Во многих областях церковной археологии он был не только исследователем и теоретиком, но первооткрывателем и собирателем[1].
В 1892 году защитил докторскую диссертацию «Евангелие в памятниках иконографии, преимущественно византийских и русских» и с 1893 года был ординарным профессором по кафедре церковной археологии и литургики.
В 1894 году был назначен на должность инспектора Санкт-Петербургской духовной академии. По отзыву профессора Александра Катанского «целых пять лет (1894—1899) хорошим, очень энергичным и во все академические дела вникавшим инспектором. А такой инспектор был как нельзя более кстати, особенно в то время, время частых смен ректоров и немалого нестроения академической жизни»[3].
Основными вопросами научной деятельности Николая Покровского были церковная археология и древнехристианское искусство. Он одним из первых в русской науке при изучении византийско-русского и древнехристианского искусства обратил внимание на отношение искусства к учению Церкви и текстам литургии и внёс в науку богатые материалы православно-восточного происхождения, восполнив этим западные исследования.
В 1900—1901 годах был членом-учредителем монархической организации Русское собрание. Был избран в первый состав Совета данной организации, но отказался по причине занятости научно-административными обязанностями.
