Николаю Варфоломеевичу не было еще и 30, когда его назначили Главным архитектором Ленинграда. Баранов был первым, кто занял эту должность - раньше в архитектурной жизни Ленинграда ее не существовало. Первое, чем занялся молодой архитектор в новом качестве - было озеленение города. Ему он в течение всей своей карьеры Главного архитектора уделял особое внимание. Даже сегодня в Петербурге не высаживают столько деревьев и кустов, сколько было высажено при Баранове.
Николаю Варфоломеевичу достался, пожалуй, самый тяжелый период в современной истории города: война, блокада, первые послевоенные годы. Когда началась Великая Отечественная война, первоочередной задачей стала маскировка Ленинграда с воздуха. Помимо этого, Баранов проводил детальную зарисовку исторических зданий, а также возглавлял аварийно-восстановительные работы после разрушений, нанесенных немецко-фашистскими оккупантами в Ленинграде, Колпине, Кронштадте, Пушкине, Петродворце и Павловске. Архитектор занимался проектированием и строительством оборонительных рубежей на подступах к Ленинграду и в самом городе.
В декабре 1941 года в Ленинграде очень не хватало дров для отопления военных госпиталей, больниц и детских учреждений. Поэтому рассматривался вопрос о частичной вырубке деревьев в садах и парках города. Но Баранов предложил вместо этого пустить на дрова множество утилитарных деревянных построек. Были разобраны аттракционы, киоски, павильоны, деревянный стадион имени Ленина и часть деревянных домов на окраинах. В результате, удалось заготовить вдвое больше дров, чем планировалось получить от вырубки парков.
Во время блокады у Николая Баранова были и куда более печальные обязанности. В феврале 1942 года начались работы по санитарной очистке города. Во время нее по всему городу были найдены тысячи трупов людей, погибших от голода в квартирах и в снегу на улицах. Их надо было немедленно захоронить.
Николай Баранов признавался: "Война и блокада непостижимым образом сблизили меня с городом. Я всегда любил Ленинград, но теперь эта любовь приобрела новое качество. Так, родители, спасшие тяжело больного ребенка, любят его еще сильнее".
Среди ужасов войны были у архитектора и мирные дела. Например, по его инициативе, в 1943 году на базе бывшего Училища технического рисования барона Штиглица было воссоздано специальное Архитектурно-художественное училище (сегодня это Художественно-промышленная академия им. А. Л. Штиглица). Также Баранов внес предложение вернуть 20 площадям и улицам города их исторические дореволюционные названия. Так что именно благодаря Николаю Варфоломеевичу у гостей и жителей северной столицы сегодня есть возможность гулять по Дворцовой площади, Невскому проспекту и Садовой улице.
Блокадной мечтой Баранова, которая стала осуществляться уже в послевоенные годы, была реконструкция архитектурного ансамбля вокруг Финляндского вокзала. Во время войны этот район был сильно разрушен. Поэтому для начала надо было расчистить склады и подъездные пути к бывшей пристани. Затем уже на правом берегу Невы архитектор спроектировал новую площадь, которая напоминала по своей архитектурной композиции и габаритам площадь Декабристов (Сенатскую).
Баранов стал автором принципиально нового послевоенного генерального плана Ленинграда. Его главная идея, которая актуальна и по сей день, заключалась в том, чтобы "развивать город к морю". Именно Баранов первым заговорил о необходимости сделать Ленинград полноценным приморским городом с выразительным морским фасадом. Построенный в формах позднего советского модернизма, морской фасад Ленинграда стал одной из визитных карточек города 1970-х - 1980-х годов. Но принять участие в его создании Баранову уже не удалось.
Он был осужден по "Ленинградскому делу", отстранен от должности Главного архитектора, исключен из рядов ВКП(б) и Союза архитекторов и выслан в Среднюю Азию. Решение об отстранении Баранова от должности было принято на заседании бюро Горкома ВКП(б) 14 декабря 1949 года.
Многие его проекты были закрыты или в них были внесены принципиальные изменения. Больше всего "досталось" Финляндскому вокзалу. Изящный проект Баранова был заменен новым, не таким выразительным зданием. Под новый проект даже заложили фундамент. "Только после возвращения в Ленинград в 1954 году мне… удалось добиться пересмотра неудачного проекта, но фундаменты уже были заложены, и они могли выдержать вес башни на пятьдесят метров ниже запроектированной ранее, а общую высоту главного корпуса удалось поднять только на четыре метра. Это не могло не ухудшить архитектурный облик площади", - позже сокрушался Николай Баранов.
Архитектор вернулся в Ленинград после смерти Сталина. Но работать в любимом городе ему фактически не давали. Поэтому вскоре он уехал в Москву. В златоглавой Баранов добился успеха как вице-президент Академии архитектуры, зампред Комитета по гражданскому строительству и архитектуре СССР и профессор МАРХИ.
Последним же его крупным проектом в Ленинграде стал Спортивно-концертный комплекс на 25 тысяч зрителей на проспекте Юрия Гагарина. Его строительство длилось в течение 1970-х. В новом зале должны были проводиться все виды спортивных состязаний кроме водных, а также киносеансы, концерты и массовые собрания. Для своего времени комплекс выглядел прогрессивно: крыша из стальной мембраны, натянутой на опорное кольцо; трибуны-трансформеры; возможность залить два хоккейных поля одновременно. В 1979 году зал был открыт как Спортивно-концертный комплекс им. Ленина.
Николая Варфоломеевича Баранова не стало 20 апреля 1989 года. Похоронен Главный архитектор блокадного Ленинграда на Кунцевском кладбище в Москве.