После окончания академии Николай Дмитриевич Кузнецов был оставлен в адъюнктуре на кафедре конструкции авиадвигателей, в 1941 г. защитил кандидатскую диссертацию, после чего работал преподавателем на той же кафедре. С 1942 г. служил старшим инженером 39 иад. В конце 1942 г. назначен в моторостроительное ОКБ (в настоящее время ОАО СНТК им. Н. Д. Кузнецова), которым руководил в течение 45 лет (1949—1994).

Большинство созданных Н. Д. Кузнецовым двигателей отмечено характеристиками «впервые в мире»: самый мощный в мире двухконтурный двигатель, первый в мире ЖРД повышенной тяги, использование в качестве авиационного топлива жидкого водорода и сжиженного газа. Так, в 1956 г. был создан первый в мировой практике двухконтурный двигатель с форсажем — НК-6, с тягой 17 т. За рубежом подобные двигатели появились лишь через 15 лет.

Под его руководством создан самый мощный в мире авиационный турбовинтовой двигатель НК-12, устанавливаемый на Ту-95 и Ан-22.

Созданные Николаем Дмитриевичем ракетные двигатели НК-33, НК-39, НК-43 и НК-31 до сих пор остаются непревзойденными во всем мире по параметрам надежности.

Необыкновенный талант конструктора и руководителя позволил КБ в кратчайшие сроки создать опытную авиационную силовую установку, работающую на атомной энергии.

Под руководством Н. Д. Кузнецова небольшое опытное предприятие превратилось в крупнейшую моторную фирму, создавшую более 40 оригинальных авиационных, ракетных и промышленных двигателей.

Награжден 5 орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, орденом Красного Знамени, 2 орденами Отечественной войны, 2 орденами Красной Звезды, многими медалями.