Николай Матвеевич Катаев родился в семье приходского священника Вятской губернии. У Николая было два брата: Иван и Павел. Все трое получили среднее образование в учебных заведениях Вятки. Николай окончил Московский сельскохозяйственный институт по специальности «агроном» и в 1897 году занял должность губернского агронома в Курске. Обратил на себя внимание докладом «План деятельности экономического бюро и губернского агронома при Курской губернской земской управе», где очертил перспективы развития сельского хозяйства губернии.

В конце 1899 года освободилось место агронома в Ярославской губернии, куда Николай Матвеевич и переехал. Также он стал секретарём экономического совета при губернской земской управе, проработав в должности до 1901 года. Вместе с Яковом Степановичем и Марией Яковлевной Колмогоровыми состоял членом Общества для содействия народному образованию Ярославской губернии, занимался организацией народных чтений.

Вероятно, после смерти Марии Яковлевны Николай Матвеевич покинул Ярославль. Дальнейшая его деятельность связана с Департаментом земледелия, где он занял должность старшего специалиста по сельскохозяйственной части. В 1910 году, став начальником учебного отдела Департамента земледелия Главного управления землеустройства и земледелия, участвовал в совещаниях по высшему и среднему сельскохозяйственному образованию. Составил проект по созданию сельскохозяйственного института для чернозёмной полосы России. Тесное общение с крестьянами обусловило политические убеждения Николая Матвеевича: он был сторонником правых эсеров, продолжавших народнические традиции.

По воспоминаниям близких Андрея Николаевича Колмогорова, отец будущего математика занимался литературным творчеством, встречался с А. П. Чеховым, который видел в нём перспективного беллетриста. Колмогоров вспоминал, что отец участвовал в экспедицию в Персию. Видимо, это была экспедиция Н. И. Вавилова 1916 года по сбору семян.

После Октябрьской революции 1917 года система управления сельским хозяйством была реформирована. Департамент земледелия стал Наркоматом земледелия. Н. М. Катаев заведовал в нём учебным отделом. Пропал без вести в 1919 году.