Инженер-океанолог, заместитель директора Института океанологии (1951-1963), лауреат Государственной премии (1951).

В 1936 году окончил Ленинградский институт водного транспорта, работал в Государственном гидрологическом институте в Ленинграде, участвовал в экспедициях в Балтийском и Белом морях. К началу Отечественной войны руководил опытно-конструкторским отделом ГГИ, где под его руководством создано и внедрено в практику исследований более 40 различных гидрологических приборов.

С 1941 по 1946 гг. он в рядах Советской Армии, где занимал должность заместителя начальника Центрального Конструкторского Бюро по гидрометеорологическому приборостроению. Награждён орденом «Знак почета» (1943) за обеспечение фронта новой техникой, медалью «За победу над Германией в Великой Отечественной войне».

После демобилизации приглашен в Институт океанологии в Москву на должность главного инженера. В дальнейшем создал в Институте Отделы морской техники и морских экспедиционных работ, принимал активное участие в разработке и внедрении новых приборов и методов исследований океана, возглавляя методическую секцию при Океанографической комиссии. Один из основателей Института океанологии.

Особенно большое значение имела его работа по сохранению Института после смерти П.П. Ширшова. По праву считается основателем нового направления в океанологии — морской техники или технической океанологии, которое призвано обеспечить исследователей морей и океанов наиболее совершенными методами и приборами.

Являясь одним из организаторов Института океанологии, руководил работами по созданию самого крупного в то время и самого совершенного научно-исследовательского судна «Витязь» — первого из исследовательских судов Института океанологии. За работы по методике, аппаратуре и океанологическим исследованиям в 1951 г. был удостоен Государственной премии СССР. С 1951 г. на протяжении 12 лет становления Института – заместитель директора, а после смерти П.П. Ширшова несколько лет — исполняющий обязанности директора Института.

Один из крупнейших специалистов в области океанологического приборостроения, лично и в соавторстве разработал и внедрил в практику работ более 70 новых приборов.

Один из создателей новой стратегии океанологических исследований с крупных научно-исследовательских судов типа плавучих морских научных институтов. Применение этой новой стратегии исследования океанов в ходе работ «Витязя» и других научно-исследовательских судов Института дало исключительно важные результаты в изучении Мирового океана.

Впервые внедрил также практику проведения исследовательских работ с судна на якоре с постановкой на глубинах до 9000 м и более, а также методику длительных (до года и более) исследований на автономных океанологических буях.

С помощью разработанной им совместно с Е.И. Кудиновым глубоководной гидростатистической трубки удалось получить рекордную по длине колонку 33,5 м.

С его именем связаны первые в стране исследования по сейсмике морского дна, по геотермическим исследованиям осадочной толщи, создание уникального комплекса приборов для гидрооптических исследований. Под его руководством удалось впервые в то время измерять течения на глубинах более 3 км, он начал внедрение компьютерной техники в практику экспедиционных исследований. Будучи руководителем методической секции Океанографической комиссии АН СССР много сделал для унификации методов исследования морей и океанов.

Участвовал в 15 морских экспедициях, в т.ч. в 8-и океанских на «Витязе». В первом рейсе на НИС «Витязь» в Охотское море в 1949 г. он руководил внедрением в практику новых методов глубоководных океанологических исследований, всего исследовательского комплекса «Витязя» (забортные приборы, лебедки и палубное оборудование, методика работ на станциях в трудных условиях дальневосточных морей, работа лабораторий, использование полученных материалов для планирования дальнейших исследований на станциях и др.).

Автор 150 научных работ и более 70 оригинальных океанологических приборов.

Дважды награжден орденом «Знак почета» (1943,1954 гг.).

В честь Н.Н. Сысоева названа Гора Сысоева (Sysoev seamount) — подводная гора в Атлантическом океане, обследованная на НИС «Академик Курчатов». Координаты: 15°25' ю.ш., 6°27' з.д.