Химик-органик, член-корреспондент АН СССР (1979).
Работы посвящены синтезу физиологически активных органических соединений. Разработал новые методы получения смешанных металлоорганических соединений таллия и ртути, смешанных эфиров тио- и дитиофосфорных кислот (через диазосоединения ароматического ряда и присоединением диалкилдитиофосфорных кислот к непредельным соединениям), фосфорсодержащих сульфонамидов и диалкилхлортиофосфатов, многие из которых нашли промышленное применение.
Один из основателей промышленного производства пестицидов в СССР и глава школы в области химии пестицидов. В последние годы проводил работы, связанные с химизацией сельского хозяйства и охраной окружающей среды. Автор первых в СССР книг, посвященных описанию средств защиты растений.
В Российском государственном архиве в г. Самаре на постоянном хранении находятся заявочные материалы на изобретения Мельникова Н.Н. (Ф. Р-1). Перечень этих документов представлен в базах данных «Выдающиеся деятели науки и техники» и «Патентный каталог».
Подробнее с документами и базами данных можно ознакомиться в читальном зале архива по адресу: г. Самара, ул. Мичурина, д. 58.