Когда юноше исполнилось 13 лет, он поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества (МУЖВЗ). Там Сапунов проучился 10 лет. Ему повезло: его учителями стали великие Исаак Левитан, Валентин Серов, Константин Коровин. Причем изначально наибольшее влияние на начинающего живописца оказывал Левитан, но в более зрелые годы главным наставником для него стал Константин Коровин. Ему, еще будучи студентом, Сапунов помогал оформлять декорации в Большом театре. Увлечение Николая Николаевича натюрмортами также сформировалось под влиянием Коровина.
Параллельно с освоением программы в Училище живописи Сапунов обучался в Академии художеств, в классе пейзажиста Александра Киселева. Будучи студентом, Николай Николаевич совершил путешествие по Италии, где, как он любил потом рассказывать, услышал предсказание гадалки о своей скорой смерти "от воды". С этого момента ощущение роковой неизбежности преследовало молодого художника и неизменно отражалось в его творчестве.
Ранние работы Сапунова были конгениальны эстетическим принципам легендарного объединения художников "Мир искусства", но при этом уже имели особый "сапуновский" характер. Первые свои картины Сапунов показал весной 1904 года на выставке "Алая роза". Это была единственная выставка одноименной группы художников - учащихся МУЖВЗ. Возглавляли ее художники Павел Кузнецов и Петр Уткин. В качестве почетных участников были приглашены Михаил Врубель и Виктор Борисов-Мусатов. В 1905-м Сапунов выставлялся на 12-й выставке Московского товарищества художников, а год спустя представил 6 своих работ на большой выставке "Мира искусства" в Санкт-Петербурге.
Николай Николаевич довольно быстро понял, что он хочет быть не просто живописцем, а театральным художником и сценографом. Тем более, что XX век изменил отношение к этой профессии: из скромной закулисной фигуры театральный художник превратился в полноценное действующее лицо всего постановочного процесса. Отныне спектакль воспринимался не только как действие на сцене, а как коллаборация игры, музыки, декораций и художественных образов.
В 1905 году началось сотрудничество Николая Сапунова и Всеволода Мейерхольда в только что возникшей при МХТ экспериментальной театральной студии на Поварской улице в Москве. Художник участвовал в декорировании интерьеров студии и оформлении первого спектакля "Смерть Тентажиля" по одноименной пьесе бельгийского драматурга Мориса Метерлинка. В этом же году Сапунов создал две декорации к опере Петра Чайковского "Евгений Онегин" для оперного кружка художественных исканий, которым руководили Илья Сац и Леопольд Сулержицкий.
Позже в его декорациях с успехом были поставлены оперы "Севильский цирюльник" Джоаккино Россини и "Дон Жуан" Вольфганга Моцарта. Сапунов также исполнил эскизы декораций к пьесе "Дядя Ваня" для Александринского театра в Петербурге. Еще среди его ярких театральных работ: оформление спектаклей "Гедда Габлер" по пьесе Генрика Ибсена, "Балаганчик" по пьесе Александра Блока в театре В. Ф. Комиссаржевской и пантомима "Шарф Коломбины", которая шла на сцене петербургского "Дома интермедий".
Событием, поднявшим творческую жизнь Николая Сапунова на новый уровень, стала выставка-сенсация "Голубая роза", прошедшая благодаря меценату и коллекционеру Николаю Рябушинскому в Москве в 1907 году в доме 8 на Мясницкой улице. Участниками выставки стали 16 художников-символистов - членов объединения "Голубая роза", созданного незадолго до этого. Их главным вдохновением были работы Врубеля и Борисова-Мусатова.
Сапунов был одной из самых ярких и самобытных фигур этого объединения. Он представил здесь семь своих работ, среди которых был и знаменитый "Маскарад" - картина, полностью вписавшаяся в общую выставочную концепцию утонченности и таинственности. Помимо этого, именно Николай Сапунов стал автором той самой голубой розы, ставшей оригинальным символом экспозиции.
Выставка "Голубая роза" - манифест символистской живописи, которая получила в этих специально выкрашенных в бледно-голубой цвет выставочных залах свое классическое воплощение. Лидер русских авангардистов Казимир Малевич писал о своих впечатлениях от выставки так: "В произведениях не видно было краски, материала. Здесь были пятна разных форм, которые издавали, подобно цветам, ароматы, которые можно было обонять..." Ему даже показалось, что "гармония всего сделанного давала голубой запах".
Вскоре после "Голубой розы" на 5-й выставке Союза русских художников Николай Сапунов наряду с картиной "Голубые гортензии", полностью отражавшей идеи "голуборозовской" живописи, выставил "Пляску смерти" - совсем иное по духу полотно. Оно поражало зрителей непривычной сочностью цвета и экспрессивностью выражения чувств.
В 1910 году Сапунов написал для первого Русского балетного сезона Сергея Дягилева в Париже декорации к балету Игоря Стравинского "Жар-птица" по эскизам другого театрального художника - Александра Головина.
Такая завидная творческая продуктивность Николая Николаевича отчасти объяснялась его предчувствием скорой смерти. Он как будто торопился высказаться и использовал для этого любую возможность. Одной из последних его законченных при жизни работ стала роспись интерьера легендарного литературного кабаре "Бродячая собака", являвшегося центром культурной жизни Петербурга Серебряного века.
Также Сапунов собирался реализовать одну свою авангардную идею: создать театрально-карнавальное действие под названием "Веселая ночь на берегу Финского залива", которое должно было стать синтезом театра и реальности. Местом для его проведения художник выбрал небольшой городок Териоки (ныне Зеленогорск) под Петербургом на северном берегу Финского залива. Зрители, по задумке Сапунова, не должны были сидеть на своих местах во время представления, а разгуливать по парку, попадая в гущу балаганных событий. Современный зритель назвал бы такое действо иммерсивным спектаклем.
Но замыслу Сапунова не суждено было претвориться в жизнь. Он трагически погиб там, в Териоки, - утонул в водах Финского залива во время прогулки на лодке. Трагедия произошла 27 июня (14-го по старому стилю) 1912 года. Николаю Сапунову не исполнилось и 32-х лет. Похоронили его в Кронштадте. А спустя несколько дней в Исаакиевском соборе была отслужена панихида.
Через несколько месяцев после трагической гибели выдающегося сценографа состоялась премьера последнего оформленного им спектакля. Это была "Принцесса Турандот" по одноименной сказке Карло Гоцци. Премьера прошла на сцене частного московского театра Константина Незлобина.