Родился в Ельце 19 апреля (1 мая) 1875 в семье фельдшера. Мальчиком около года провел в иконописной мастерской. Пользовался советами своего земляка художника В.Н.Мешкова. Занимался в Московском училище живописи, ваяния и зодчества (1889–1901) у Н.В.Неврева, И.М.Прянишникова и в мастерской В.А.Серова (1899–1902), оказавшего на него особенно большое воздействие. Был членом объединений «Союз русских художников», «Мир искусства», «Четыре искусства». Жил в Москве.
Уже в ранний период проявил себя как тонкий рисовальщик и импрессионистически чуткий к натуре живописец-портретист (Н.Н.Ге за работой, 1895, Третьяковская галерея; А.П.Чехов, 1904, Литературный музей, Москва; О.Л. Книппер в роли Раневской (Вишневый сад), 1907, Музей МХАТ, Москва; К.Д.Бальмонт, 1909, Третьяковская галерея). Позднее под влиянием кубизма и футуризма выработал своеобразный «заторможенно»-кубистический стиль, дробя видимый мир на грани, но все же удерживая его в русле картины традиционного типа (Автопортрет с парикмахером, 1914–1923; Кафе, 1917; обе работы – там же). В 1920-е годы оставил авангардные поиски, вновь вернувшись к стилистике несколько академизированного модерна. Среди его вещей этих лет безусловно первенствуют портреты, в частности поэта и философа В.И.Иванова (1920, Русский музей) и скульптора А.С.Голубкиной (рисунок углем, 1937, Третьяковская галерея). В 1930–1940-е годы обратился к неоклассическим по духу образам истории и художественного творчества (серия Пушкин в жизни, 1930-е годы; Лористон в ставке у Кутузова, 1945; К.С.Станиславский за работой, 1947; Сталинская премия 1948; обе картины – в Третьяковской галерее). Особую популярность завоевал его Пушкин с женой перед зеркалом (1937, Институт русской литературы, Петербург) – с поэтом, бросающим на окружающий высший свет беспощадно злой и колючий взгляд.
Развивал традиции живописного символизма в своей сценографии: Проделки Скапена Ж.-Б.Мольера в Малом театре (1918); Дни Турбиных (1926); Кабала святош (Мольер; 1936) М.А.Булгакова во МХАТе; Кармен Ж.Бизе в Оперном театре имени К.С.Станиславского (1935). Много и плодотворно работал как педагог – в студии Е.Н.Званцевой (1901–1907), Свободных художественных мастерских – Высших художественно-технических мастерских (Вхутемас, 1918–1922) и других училищах.
Умер Ульянов в Москве 5 мая 1949. Посмертно вышла его мемуарная книга Мои встречи (1952).
Леняшин В.А. Н.П.Ульянов. Л., 1976
