Другим замечательным итогом деятельности Николая Михайловича в области энтомологии является 9-томное издание «Научные исследования (“мемуары”) по чешуекрылым» (1884–1901 годы), выходившее под его редакцией на французском и немецком языках. Это издание содержит большое число описаний новых таксонов, в первую очередь с территории Российской империи и прилежащих стран. Оно великолепно иллюстрировано, снабжено множеством таблиц с раскрашенными от руки изображениями чешуекрылых, а также превосходными географическими картами исследованных регионов. В написании статей принимали участие многие известные лепидоптерологи России и других стран, с которыми сотрудничал Николай Михайлович.

   В 18 лет Николая Михайловича избирают членом французского энтомологического общества. Его фундаментальный труд «Чешуекрылые Закавказья» описывает 1125 видов – на сегодняшний день это самая полная сводка данных по этому региону. Свои научные труды Великий князь подписывал просто «Н.М. Романов», деликатно ставя себя в ряд с другими учёными. Он описал 10 таксонов и ввёл их в научный оборот. Среди них – бабочка Colias olga Rom., названная им в честь матери – Великой княгини Ольги Фёдоровны. В честь самого Николая Михайловича его коллеги назвали 18 таксонов насекомых, демонстрируя тем самым признательность за его труды. Причём среди тех, кто давал эти названия, мы видим и замечательного географа Г.Е. Грумм-Гржимайло, и сына великого путешественника П.П. Семёнова-Тян-Шанского – А.П. Семёнова-Тян-Шанского, и учёных Германии, Голландии, Франции, Великобритании, Швейцарии. И теперь в Панаме обитает Romanoffia imperialis, а в Центральной Азии – жужелица Carabus romanowi. Мало кто из представителей царствующих династий может похвастаться такой честью.

   Николай Михайлович прославился и как видный историк. Он был признанным специалистом по истории царствования Александра I, автором фундаментальных научных работ об этом государе и его эпохе, сподвижниках Александра, об императрице Елизавете Алексеевне, издателем переписки императора с сестрой Екатериной. Имея возможность работать с не доступными тогда для других исследователей документами, а трудился он не только в петербургских архивах, но и в хранилищах Мюнхена и Парижа, Николай Михайлович ввёл в научный оборот множество новых источников и материалов. Под его руководством также выходили в свет очередные тома Русского Биографического Словаря и «Сборников Императорского Русского Исторического общества», которое он возглавлял. Ему также принадлежит инициатива издания справочника-альбома «Русские портреты XVIII–XIX вв.» в нескольких томах, в котором впервые был собран и обобщён громадный корпус портретных изображений почти за два века истории живописи в России, с приложением биографий портретируемых (над ними трудились замечательные историки – друзья и соратники Николая Михайловича). Великий князь сам был увлечённым коллекционером портретной живописи, миниатюр, рисунков и гравюр и намеревался завещать своё обширное собрание Русскому музею. Кроме того, бесценным начинанием Николая Михайловича явилась подготовка многотомного справочника по русскому некрополю, то есть списков захоронений, надгробных надписей и эпитафий с кладбищ Москвы, Петербурга и других городов. Под его руководством увидели свет многотомные «Петербургский некрополь» и «Московский некрополь», дальнейшую работу прервала Первая мировая война. Учитывая гибель множества кладбищ в советское время, эти издания составляют золотой справочный фонд отечественной исторической науки.