Отец будущего священномученика, Андрей Иванович Чернышев, служил в Благовещенском соборе Воткинского завода — так тогда назывался нынешний город Воткинск в Удмуртии. Там в 1853 году и родился его сын Николай. Его отец был известен не только проповедями, но и краеведческими работами. Сын пошёл тем же путём: окончил в 1875 году Вятскую духовную семинарию и стал священником.

Жизнь его была на виду у всего города. Двадцать пять лет он учил детей в народных школах, за что получил орден святой Анны III степени. В годы Русско-японской войны работал в местном комитете Общества Красного Креста и был награждён серебряной медалью. По благословению праведного Иоанна Кронштадтского учредил в Воткинске общество трезвости и стал его председателем. Читал лекции в Общественном собрании, был почётным членом местного общества любителей музыки и театра имени Чайковского, а в Первую мировую участвовал в работе земского союза по снабжению армии. С 1914 года и до конца жизни он был благочинным Воткинской и Галевской волостей.

В семье было четверо детей. Рано овдовев, отец Николай жил с младшей дочерью Варварой, родившейся в 1888 году. Она окончила гимназию и Высшие женские курсы в Казани, работала учителем и замуж сознательно не вышла, оставшись при отце.

В августе 1918 года в Воткинске началось восстание против новой власти. Отец Николай не оставил прихода: напутствовал умирающих, поддерживал прихожан; Варвара служила сестрой милосердия. После подавления восстания город заняли красные части. В соборе устроили антирелигиозный диспут, на котором в защиту веры выступил отец Николай, — на следующий день его арестовали. Очевидцы вспоминали, что при аресте Варвара бросилась к отцу и обхватила его так, что оторвать её не смогли ни конвойные, ни он сам. Так их и увели вместе.

В тюрьме они пробыли до 2 января 1919 года. Навещавшая священника родственница домашней экономки нашла его спокойным и молитвенным; он просил принести облачение, чтобы исповедовать заключённых. 2 января 1919 года отец Николай и Варвара были расстреляны на берегу пруда. На требование снять крест священник ответил: «Вот умру — тогда и снимите».

Весной 1919 года воткинцы отыскали тела и простились с ними в Благовещенском соборе; погребли отца и дочь у стен Преображенской церкви. Место почитается до сих пор; известны случаи помощи по молитве к протоиерею Николаю в избавлении от недуга винопития. Их образ с неугасимой лампадой есть и в храме Иоанна Крестителя в Беркли, у потомков воткинцев за границей.

Священномученик Николай Чернышев и мученица Варвара включены в месяцеслов Русской Церкви решением Священного Синода 7 марта 2018 года, память установлена на 2 января.