Сын генерал-прокурора Александра Николаевича Самойлова (ум. 1814) и княжны Екатерины Сергеевны Трубецкой (1763-1830),брат графини С.А.Бобринской. Двоюродный брат генерала Н.Н. Раевского и декабриста В.Л. Давыдова, дядя А.Н. и Н.Н Раевских, кн. М.Н. Волконской, жены декабриста С.Г. Волконского.
В 1815 г. переведен из 4-й конно-артиллерийской роты в лейб-граврдейский Преображенский полк. В 1817 г. участвовал в посольстве генерала Ермолова в Персию. С 1821 г. флигель-адъютант императора.
Его имя фигурировало в деле декабристов (упоминался в показаниях Н.М.Муравьева), но по высочайшему повелению оно было оттуда вычеркнуто. В 1827 г. женится на одной из самых богатых наследниц России — Юлии Пален и начинает кутить, растрачивая её состояние. Выданные им векселя опротестованы дедом жены, графом Джулио Литта. В тот же год супруги принимают решение разъехаться, и Самойлов возвращает приданое. 21 июня 1827 г. отставлен от службы в чине полковника.
Николай Александрович Самойлов был последним представителем своего рода, детей не имел, и с его смертью в 1842 году род пресекся.
Упоминается в энциклопедии «Пушкин и его окружение». Поэт, согласно сохранившемуся письму, поздравлял Самойлова со слухами о примирении с женой, а также упоминает во 2-й главе «Путешествия в Арзрум».
