Доктор физико-математических наук (1962), профессор (1976).

Окончил Ленинградский политехнический институт (1938).

Участник Великой Отечественной войны. С 1942 по 1943 г. воевал на Ленинградском фронте. За боевые заслуги награжден орденами и медалями.

После тяжелого ранения вернулся в Институт физики металлов, где работал до 1990 г. В 1954 г. организовал и возглавил лабораторию низких температур. Под руководством и при непосредственном участии Н. В. Волкенштейна впервые на Урале было налажено производство и получение жидкого гелия и жидкого водорода. В результате была создана экспериментальная база для исследований фундаментальных физических свойств металлов и сплавов при низких температурах.

Профессор Н. В. Волкенштейн внес существенный вклад в физику твердого тела. Им и его сотрудниками были выполнены пионерные работы по исследованию электрических и гальваномагнитных свойств, а также теплопроводности практически всех редкоземельных металлов, изучено явление однонаправленной анизотропии в соединениях 3d-переходных металлов, экспериментально исследованы гальвано- и термомагнитные свойства особо чистых монокристаллов переходных металлов, выяснены особенности магнитных, тепловых и сверхпроводящих свойств переходных металлов, открыта сверхпроводимость в лютеции.

Н. В. Волкенштейн оказал существенную помощь в создании криогенной (гелиевой) базы Уральского университета и Уральского политехнического института, в организации кафедры физики низких температур Уральского университета. С 1976 г. он был профессором этой кафедры и читал разработанный им курс «Физика и техника низких температур».

Подготовил более 20 кандидатов и докторов наук, является автором свыше 150 научных работ. Своими исследованиями Н. В. Волкенштейн существенно обогатил наши знания в области физики низких температур и физики магнитных явлений.