С 1885 по 1893 г., будучи адъюнктом, Н. С. Курнаков руководил практическими занятиями студентов по горнозаводскому техническому анализу, пробирному искусству и читал лекции по соляному делу, технологии топлива и горючих материалов, а также по общей металлургии. После защиты диссертации «О сложных металлических основаниях» в 1893 г. последовало назначение Н. С. Курнакова профессором кафедры неорганической химии. Через шесть лет он стал заведующим кафедрой аналитической химии и химической лабораторией Горного института. С этого момента начинается особенно кипучая научно-педагогическая деятельность Н. С. Курнакова. По его предложению пробирная лаборатория Горного института была переведена в новое, специально приспособленное помещение и значительно расширилась. В 1899 г. он организовал преподавание физической химии в Электротехническом институте. При учреждении Петербургского политехнического института Н. С. Курнаков, вместе с профессорами Д. И. Менделеевым, Н. А. Меншуткиным и П. И. Вальденом, участвовал в разработке вопросов, связанных с устройством в нём лаборатории и преподаванием химии. В 1902 г. он был приглашён занять здесь кафедру общей химии, которой руководил до 1930 г. Химическая лаборатория Политехнического института, как по своим размерам, так и по своему оборудованию была одной из самых значительных лабораторий в России.
Научная деятельность Н. С. Курнакова была тесно связана с его педагогической работой в Горном, Электротехническом и Политехническом институтах. В их химических лабораториях началась и успешно развивалась его научно-исследовательская деятельность. Последнюю Н. С. Курнаков всегда рассматривал как свой общественный долг; он постоянно заботился о расширении научных исследований путём привлечения к этой деятельности всё новых и новых сил. В своих лекциях, практических занятиях, и в особенности при руководстве дипломными работами студентов, Н. С. Курнаков будил в студентах любовь к научно-исследовательской работе.
В своей деятельности Н. С. Курнаков умело сочетал теорию и практику, интересы науки и промышленности. Он являлся не только выдающимся представителем химической науки в России, но и большим знатоком ряда отраслей промышленности, с которыми был связан на протяжении всей своей жизни.
За свою плодотворную научно-техническую деятельность Н. С. Курнаков был избран почётным членом многих отечественных и иностранных обществ и научных организаций. В 1908 г. советом Электротехнического института он был избран почётным членом института и членом совета. В 1912 г. был избран членом русского отдела Международной комиссии по номенклатуре неорганических соединений. В связи с 80-летием Н. С. Курнакова Всесоюзное химическое общество им. Д. И. Менделеева избрало его своим почётным членом.
В 1913 г. Академия наук избрала Н. С. Курнакова ординарным академиком.
В 1930 г. Н. С. Курнаков получил первую Менделеевскую премию за труды по химии; в 1939 г. он был награждён орденом Трудового Красного Знамени за достижения в области химии.
80-летие Н. С. Курнакова отмечено правительством СССР присуждением ему звания заслуженного деятеля науки СССР. В 1941 г. ему была присуждена Сталинская премия за работы по физической химии и труд «Введение в физико-химический анализ», опубликованный в 1940 г.
19 марта 1941 года Н. С. Курнаков скончался.