Filho do barão Vladimir Ivanovitch de Staël-Holstein, o jovem Nicolas emigra em 1919 com a família para a Polónia. Em 1922, após morte de seus pais vai para Bruxelas com suas irmãs e é educado por amigos da família. Após sólidos estudos clássicos, frequenta entre 1932 e 1936 o curso de desenho e pintura na Academia de Saint-Gilles e na Academia Real de Belas Artes de Bruxelas. Diversas viagens aos Países Baixos e a França, despertaram-lhe um certo interesse pela pintura holandesa do século XVII e pelo trabalho de Cézanne, Matisse e Braque. Em 1938, volta a Paris, e trabalhou durante três semanas no estúdio de Fernand Léger. Desmobilizado em 1940, de Staël instala-se em Nice, onde integrou um círculo de artistas de vanguarda como Sonia Delaunay, Arp e Magnelli, entre outros, que influenciaram determinantemente o seu trabalho, para só voltar a Paris em 1943. Em 1944 teve a sua primeira exposição individual na Galeria de l'Esquisse. Em 1942 começa a pintar quadros abstractos. Em 1948 obtém a nacionalidade francesa e em 1950, faz a sua primeira exposição individual nos Estados Unidos. A sua primeira fase abstracta caracteriza-se por uma expressão subjectiva de entrema tensão e violência num emaranhado de traços sobrepostos. A partir de 1949 as estruturas alargam, ao mesmo tempo que os contrastes de claro-escuro dão lugar a harmonias mais luminosas e coloridas. Progressivamente os estímulos provocados pela natureza afirmam-se. De Staël tenta fazer coincidir o mais possível a vida e o acto de pintar. Em 1951, recebe um violento choque visual e emotivo perante um espectáculo nocturno de futebol, que o inspira para numerosos estudos e quadros de grandes formatos, de grande movimento nas formas e nas cores. Em Setembro de 1954, instala-se em Antibes num ateliê em frente ao mar. A luz do Midi inspira-o na busca da transparência das paisagens marinhas de 1954 e 1955. O esgotamento físico e uma depressão nervosa levam-no ao suícidio no seu ateliê, em Março de 1955. A primeira retrospectiva da sua obra foi organizada em 1965 em Paris no Museu Nacional de Arte Moderna e a segunda foi apresentada sucessivamente, entre 1965 e 1966, em Roterdão, Zurique, Boston, Chicago e Nova Iorque e em 1972 na Fundação Maeght de Saint Paul de Vence, em 1981 no Grand Palais em Paris e de novo na Fundação Maeght em 1991. Participou na Bienal de Veneza de 1964.