После окончания в 1824 году с серебряной медалью Санкт-Петербургского горного кадетского корпуса был определён на службу на Александровский пушечный завод по надзору за работами в молотовой цех. С 1830 года — надзиратель железных рудников, с 1841 года — помощник начальника Олонецких горных заводов.
С 1843 по 1859 год — управляющий Александровским пушечным заводом. В 1859 году назначен членом Совета и Учёного Комитета Корпуса горных инженеров с присвоением звания генерал-лейтенанта.
В 60-х годах сделал в Географическом обществе сообщение о найденных им в Олонецкой губернии следах каменного века. Им была собрана обширная коллекция орудий каменного века. В 1863 году Бутенев передал коллекцию в Музей антропологии. Являлся автором статей по вопросам геологии Олонецкой губернии.
Оставшаяся после Н. Ф. Бутенева коллекция мистических рукописей была приобретена у наследников Императорской Публичной библиотекой[2].