Nicolaas van der Waay werd geboren op 15 oktober 1855 in Amsterdam. Op zijn 25e ging Van der Waay studeren aan de Rijksacademie in Amsterdam. Na het voltooien van zijn studie in 1875 wijdde Nicolaas van der Waay zich geheel  aan de schilderkunst. Hij deelde een atelier met collega schilder J.H. Wijsmuller en later met Ernst Witkamp.

Via August Allebé, hoogleraar aan de Rijksacademie, kreeg Nicolaas Van der Waay een subsidie van duizend gulden van het ministerie, waardoor hij een studiereis door Italië kon maken. Van 1891 tot 1925 was Van der Waay verbonden als docent en later als professor aan de hoofdstedelijke Rijksacademie. Hij was een gerespecteerd kunstenaar die van het Rijk enkele belangrijke opdrachten kreeg.

In 1898 maakte  Nicolaas van der Waay een schilderij van de inhuldiging van Koningin Wilhelmina en hij mocht de Gouden Koets beschilderen. Ook het ontwerp van het eerste, officiële bankbiljet van 10 gulden (1904-1920) is door hem gemaakt.

Een van de meest bekende werken van Nicolaas van der Waay is Kerkgang van Burgerweesmeisjes, dit schilderij is in het bezit van het Amsterdams Historisch Museum. Deze meisjes gingen iedere zondag van het Burgerweeshuis in Amsterdam(gelegen tussen de Kalverstraat en de Nieuwezijds Voorburgwal) naar de Nieuwe Kerk op de Dam of naar de Westerkerk. Nicolaas van der Waay heeft diverse schilderijen gemaakt van de weesmeisjes in hun rood/zwarte kleding. Dit onderwerp was al eerder opgepakt door Max Liebermann, met wiens werk Van der Waay goed bekend was.

Nicolaas van der Waay was een meester in het schilderen van mondaine voorstellingen, vaak met vrouwen in de hoofdrol, portretten, landschappen, stadsgezichten en café scenes. Onder invloed van Isaac Israels en Max Liebermann werd zijn palet geleidelijk impressionistischer en losser. Hoewel zijn schilderstijl enigszins behoudend was, onderscheidde hij zich dankzij een lossere toets en vrijere onderwerpskeuzes van zijn conservatieve academiegenoten.

Van der Waay was lid van kunstenaarsgenootschap Sint Lucas en Art et Amicitiae in Amsterdam waar hij actief was met het organiseren van tentoonstellingen en activiteiten. Naast zijn schilders activiteiten, was hij illustrator van boeken.

Enkele bekende leerlingen van Nicolaas van der Waay zijn Lizzy Ansingh, Piet Mondriaan, Paul Rink en Jan Sluijters.

Schilderijen van Nicolaas van der Waay zijn in bezit van onder andere het Rijksmuseum in Amsterdam en Boijmans van Beuningen in Rotterdam.